Cellules lithium - Différentes géométries

Résumé

Les cellules lithium-ions se présentent sous trois variantes géométriques, indépendamment du type d'électrodes utilisées (choix de la "chimie"). Voici un résumé des caractéristiques des différents types de cellules lithium-ions, en particulier les cellules cylindriques, prismatiques et pochettes (pouch).

Cellules Cylindriques

Les cellules cylindriques sont probablement les plus couramment utilisées. Elles ont une forme similaire à celle des piles alcalines traditionnelles.

Caractéristiques

Dimensions standardisées : Les formats les plus courants sont 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de longueur) et 21700 (21 mm de diamètre, 70 mm de longueur).

Enveloppe métallique rigide : Elle fournit une protection robuste contre les chocs et les dommages physiques.

Performance thermique : La dissipation de chaleur est modérée, elle se fait grâce à la surface cylindrique.

Assemblage facile : Cette géométrie est faciles à assembler en packs grâce à leur forme standardisée.

Applications

Appareils électroniques portables (ordinateurs portables, outils électriques).

Véhicules électriques (dans des packs de batteries modulaires).

Stockage d'énergie.

Construction

Les cellules cylindriqus sont constituées d'une feuille multi-couche comprenant le collecteur positif, la cathode, le séparateur, l'anode et le collecteur négatif. Ces couches baignent dans un électrolyte. Ce multi-couche est enroulé pour se glisser and une capsule cylindrique.

Des tabs positifs et négatif sont placé aux extrémité de la feuille multi-couches et ressortes vers les deux extrémités du cylindre constituant alors les poles positifs et négatifs de la cellule.

Cellules Prismatiques

Les cellules prismatiques ont la forme d'une boite rectangulaire, ce qui leur permet d'être mieux agencées dans un espace donné, d'où une densité énergétique volumique plus élevée.

Caractéristiques

Enveloppe rigide : Elle est généralement en aluminium ou en acier, offrant une bonne protection et durabilité.

Complexité de fabrication : Les cellules prismatiques sont complexes à fabriquer que les cellules cylindriques, ce qui peut augmenter le coût.

Applications

Véhicules électriques, en particulier dans des configurations où l'espace est limité.

Stockage d'énergie stationnaire.

Appareils électroniques de grande capacité.

Construction

Comme dans le cas des cellules cylindriques l'élément de base est une feuille multi-couches comprenant le collecteur positif, la cathode, le séparateur, l'anode et le collecteur négatif.

Ce multi-couche est enroulé dans une géométrie aplatie qui s'insère dans le boitier rectangulaire. Les pôles positifs et négatifs sont reliés à des connecteurs placés sur chaque cellule prismatique

Cellules Pouch (ou cellules à pochette)

Les cellules pouch utilisent une enveloppe composite souple incluant en particulier une couche d'aluminium laminé. Cette technologie offre une grande flexibilité en termes de forme et de taille.

Caractéristiques

Enveloppe souple : Cette solution réduit le poids de la cellule et permet une meilleure utilisation de l'espace disponible.

Flexibilité de conception : Peut être fabriquée dans une variété de formes et tailles pour s'adapter à différents espaces et applications.

Gestion thermique : La dissipation de chaleur peut être moins efficace en raison de l'enveloppe souple si elle n'est pas prise en compte sérieusement lors de développement des batteries.

Sécurité : Peut être plus vulnérable aux gonflements et aux dommages physiques.

Applications

Appareils électroniques (smartphones, tablettes, drones).

Véhicules électriques (particulièrement dans les conceptions compactes).

Applications où le poids et l'espace sont des contraintes critiques.

Construction

Ce type de cellule est composé du multi-couche comprenant le collecteur positif, la cathode, le séparateur, l'anode et le collecteur négatif disposé à plat.

Des languettes prolongent les collecteurs positifs et négatifs et sont soudées sur les tabs qui constituent les sorties positives et négative de la cellule.

L'ensemble est placé dans une pochette (pouch) isolante afin d'y ajouter l'électrolyte, puis on réalise un soudage sous vide pour fermer hermétiquement la pochette.

On trouve des cellules pouch dans des dimensions très variables, avec des tabs sur le même coté ou sur des côtés opposés, dans une géométrie très allongée ou proche du carré.

Avantages & Inconvénients

Chaque type de cellule lithium-ion présente des avantages et des inconvénients spécifiques, et le choix du type de cellule dépend souvent des exigences particulières de l'application, notamment en termes de densité énergétique, de poids, de forme, de gestion des risques de sécurité et de coût.

Densité énergétique : Les cellules prismatiques et pouch ont généralement une densité énergétique volumique plus élevée que les cylindriques.

Protection : Les cellules cylindriques et prismatiques offrent une meilleure protection physique grâce à leurs enveloppes rigides.

Flexibilité : Les cellules pouch offrent la plus grande flexibilité en termes de conception, de taille et de positionnement des pôles positifs et négatifs.

Fabrication : Les cellules cylindriques sont plus faciles et moins coûteuses à fabriquer en masse comparées aux cellules prismatiques et pouch.

Pour aller loin

Cet article a pour but d'offrir une vue claire des différences, au niveau géométrique, entre les trois types de cellules, illustrant leurs avantages spécifiques en termes de conception et d'application.

Toutes ces géométries sont applicables avec de nombreux choix pour la chimie des électrodes (NMC811, NMC622, LTO, NMCA, Graphite/SiO2, etc...). Ce sujet fera l'objet d'un futur article.

Un petit historique sur les accumulateurs au lithium est proposé ici: La famille des accumulateurs au lithium

Dans tous le cas, restez prudents avec les batteries lithium et informez-vous sur les risques spécifiques des produits que vous utilisez.