Comment sont fabriquées les cellules de poche des batteries lithium-ion

Compactes et dotées d'une structure souple, elles présentent une densité record mais des problèmes de durabilité.

Le batterie allo stato solido prodotte nello stabilimento Factorial

Par: Francesco Barontini

Traduit par: Aurélien Attard

10 Jan 2024 à 09:30

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Les batteries lithium-ion pour voitures électriques utilisent généralement des cellules cylindriques. Récemment, d'autres formes ont fait leur apparition sur le marché, et nous commençons à voir des cellules prismatiques et des cellules de poche ou, pour utiliser un terme anglais, des "pouch cells".

Les cellules de poche ont une forme aplatie (d'où leur nom) et sont flexibles. Elles ont été inventées en 1995 par la société américaine Li-Polymer, qui a surpris le monde avec un produit de forme totalement nouvelle, pour être utilisées dans l'électronique grand public. Mais aujourd'hui, elles sont également utilisées dans les systèmes de stockage et les véhicules électriques.

Une cellule lithium-ion "classique"

Les cellules de poche, comme toutes les batteries lithium-ion, comportent une anode, une cathode, un séparateur et un électrolyte. L'anode et la cathode, respectivement l'électrode négative et l'électrode positive, sont recouvertes d'un matériau conducteur. Le séparateur est intercalé entre les deux pour éviter tout contact, tandis que l'électrolyte est le milieu dans lequel les ions se déplacent d'un pôle à l'autre pendant les cycles de charge et de décharge.

L'intérieur des cellules de poche est constitué d'une série de couches juxtaposées disposées comme suit : anode-séparateur-cathode. Ces couches sont ensuite scellées pour former une unité compacte qui ressemble à une enveloppe ou à un sac. Les pôles négatif et positif sont reliés à l'extérieur au moyen de deux languettes qui dépassent de l'enveloppe elle-même.

Détail des languettes extérieures reliées aux deux électrodes

De nombreux avantages dans un espace réduit

L'un des avantages des cellules de poche est qu'elles sont peu encombrantes et légères. C'est pourquoi elles sont principalement utilisées dans l'électronique grand public. Leur design flexible offre également plus de liberté aux concepteurs, car elles s'adaptent aux formes irrégulières. Les cellules de poche présentent également une densité énergétique plus élevée que les autres types de cellules. Nous parlons ici de valeurs supérieures à 90%. Toutes ces caractéristiques rendent ces cellules intéressantes pour la mobilité électrique émergente.

Une question de durabilité

Malheureusement, les cellules de poche ont généralement une durée de vie plus courte que les piles cylindriques ou prismatiques. Cela est dû précisément à la souplesse de leur structure extérieure, qui résiste moins bien aux déformations et aux contraintes mécaniques au cours des cycles de charge et de décharge. Si les cellules produisent du gaz pendant la charge et la décharge, cela entraîne un gonflement notable de la cellule qui nuit à ses performances et à sa sécurité. En outre, les cellules sont particulièrement sensibles à l'humidité et aux températures élevées.

Par conséquent, les cellules de poche supportent en moyenne entre 500 et 2 000 cycles avant de perdre considérablement en performance. Ce problème de durabilité, combiné aux caractéristiques de compacité et de rentabilité évoquées plus haut, les rend particulièrement adaptées à une utilisation sur des véhicules hybrides et hybrides rechargeables et un peu plus compliquées à utiliser sur des véhicules purement électriques.

Idéal pour le solide

Mais les choses évoluent. Les cellules de poche deviennent plus grandes et plus fiables, et de nombreuses entreprises travaillant sur l'état solide utilisent précisément ce format.

Factorial, Solid Power ou QuantumScape ont choisi des cellules de poche avec des couches superposées (jusqu'à 24) pour créer les batteries de la prochaine génération. En effet, la présence d'un électrolyte solide permet de mieux gérer la température et d'éviter la formation de gaz, ce qui permet de créer des produits qui, en plus de tous les avantages typiques des cellules à poche, garantissent des durées de vie égales à celles des cellules cylindriques ou prismatiques.

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