C'est quoi la batterie 4680 ?

On Journée de la batterie Tesla 2020, Tesla a lancé sa batterie lithium-ion 4680 révolutionnaire, prenant ainsi la pole position dans la course à la construction de grosses batteries. Sur la photo ci-dessous, vous pouvez voir les principales caractéristiques de la Tesla 4680 projetées sur l'écran derrière Elon Musk, lors de l'événement. Le nom 4680 indique son facteur de forme cylindrique, ayant un diamètre de 46 mm et une longueur de 80 mm.

Quelle est la batterie 4680

La Tesla 4680 fournit 5 fois plus d'énergie et 6 fois plus de puissance que son prédécesseur immédiat de la gamme Tesla, la batterie 2170. Avec 4680, Tesla s'attend à une augmentation de 16% de la gamme de véhicules. Et pour couronner le tout, le 4680 est conçu comme un composant structurel de batterie. Cela signifie que la batterie absorbera une partie des charges structurelles de la voiture, obtenant ainsi une légèreté globale.

Alors, comment Tesla a-t-elle réussi à obtenir une telle amélioration des performances ? Est-ce l’avenir des véhicules électriques Tesla ? Combien cela va-t-il coûter ? Qui sont les autres acteurs dans le secteur des grandes batteries ? Pour répondre à ces questions et bien plus encore, approfondissons les détails techniques de la batterie 4680.

Principales caractéristiques de la batterie 4680 de Tesla

Grande taille, plus de puissance

La première chose évidente que l’on remarque à propos de la batterie est sa grande taille. Le volume de 4680 est cinq fois et demie celui de 2170. Cela permet une plus grande Rouleau de gelée être hébergé. Dans le langage des batteries, un Jelly Roll est un rouleau sandwich cylindrique multicouche formé par un gel électrolytique placé entre des feuilles de cathode, de séparateur et d'anode. Un Jelly Roll plus grand augmente la quantité de porteurs de charge actifs et la surface des électrodes. Cela se traduit par un stockage et une distribution d'énergie accrus de chaque cellule. La figure 2 illustre le concept Jelly Roll.

Grande taille, plus de puissance

Tablettes Batterie

La Tesla 4680 utilise un système breveté Conception sans table, ce qui réduit considérablement la résistance électrique interne. Les languettes sont des pièces ou des bandes métalliques conductrices soudées aux feuilles d'électrodes d'anode et de cathode. La figure 3 illustre une batterie avec deux onglets.

Tablettes Batterie

Les languettes sont les jonctions où les électrons circulent entre le circuit externe et les électrodes de la batterie. Pendant la charge, les atomes de lithium intégrés dans la feuille cathodique enroulée libèrent des électrons. De même, pendant la décharge cellulaire, les atomes de lithium intégrés dans la feuille d'anode du Jelly Roll libèrent des électrons. Dans les deux cas, ces électrons doivent se déplacer vers les languettes respectives pour entrer dans le circuit externe.

Le défi avec les grosses batteries est qu’un trajet plus long pour les électrons génère davantage de chaleur et de chute de tension en raison de la résistance ohmique. Les concepteurs de batteries ont essayé plusieurs onglets rapprochés pour atténuer ce problème. Cependant, ceux-ci sont difficiles à fabriquer et augmentent les risques d'endommagement des électrodes lors du soudage. Tesla a trouvé une solution ingénieuse pour cela, en supprimant complètement les onglets ! Au lieu de cela, la batterie 4680 comporte des bandes conductrices qui s'étendent tout le long des bords des feuilles d'anode et de cathode, comme représenté sur la figure 4.

De cette façon, un bord entier des feuilles d'anode et de cathode peut remplir la même fonction que les languettes, réduisant considérablement la résistance électrique et la génération de chaleur.

résistance électrique et génération de chaleur.

Nouvelle chimie

Tesla a annoncé que la batterie 4680 aura un nouveau chimistey pour améliorer considérablement les performances et réduire les coûts. À l'avenir, la cathode n'utilisera pas la recette éprouvée de l'oxyde de lithium avec 80 % de nickel, 10 % de cobalt et 10 % de manganèse (appelée NMC-811). Au lieu de cela, leurs batteries 4680 auront des cathodes avec une teneur en nickel beaucoup plus élevée et une teneur en cobalt beaucoup plus faible. La composition cathodique ciblée est NMC 955 qui contient 90 % de nickel et 5 % chacun de manganèse et de cobalt. Une teneur plus élevée en nickel améliore la densité énergétique, même si elle introduit des problèmes de stabilité des électrodes, que Tesla a peut-être surmontés. La réduction de la teneur en cobalt est nécessaire pour réduire la dépendance vis-à-vis de la région du Congo, qui fournit 70 % du cobalt mondial. Cela réduira également les coûts des cathodes.

Les améliorations apportées par Tesla à la chimie des anodes impliquent le remplacement substantiel ou complet du graphite par du silicium métallurgique brut. Étant donné que le silicium de la qualité requise est abondant dans la croûte terrestre et relativement bon marché, le passage au silicium réduira le coût des anodes. Le problème avec les anodes en silicium est leur expansion de volume lorsque les atomes de lithium pénètrent dans l'anode pendant les cycles de charge et de décharge. Cela finit par détruire l'électrode. Pourtant, au vu de leurs annonces, Tesla semble avoir trouvé une solution.

Dans l’ensemble, Tesla s’attend à une réduction des coûts des batteries et à une autonomie accrue grâce à ces innovations chimiques.

Boîtier en acier plus épais

Tesla a utilisé un boîtier en acier beaucoup plus épais pour le 4680 que pour son homologue 2170. Cela peut être dû au fait que ces batteries seront installées dans un bloc-batterie structurel et devront supporter des charges mécaniques plus élevées. On peut également considérer cela comme une protection supplémentaire contre les dommages dus aux impacts.

Avantages et inconvénients

Même si certaines annonces de Tesla peuvent relever d'un battage publicitaire, il n'en demeure pas moins qu'en janvier 2022, ils avaient déjà produit un mmillions de cellules de la batterie 4680. Lors d'une conférence téléphonique sur les résultats l'année dernière après les résultats du premier trimestre 2023, ils ont confirmé les progrès réalisés dans la construction de l'usine Texas Giga qui fabriquera des cellules 4680 de deuxième génération. Cela en fait le leader incontesté du secteur des batteries 4680.

Merci beaucoup tLes fabricants de batteries opérationnelles développent des conceptions de batteries au format 4680, et certains poursuivent leurs investissements à l'échelle de la production. Ainsi, la batterie 4680 va prochainement bouleverser le monde du véhicule électrique. Qu’est-ce que cela signifie pour le consommateur « moyen » ? Sur la base de ce que nous savons actuellement, examinons les avantages et les inconvénients.

Avantages

  • Le 4680 de Tesla promet d'offrir un kilométrage accru et des coûts par kWh réduits grâce à une densité énergétique accrue, une meilleure chimie de la batterie et un poids global plus léger du véhicule grâce à la conception structurelle de sa batterie.
  • La Tesla 4680 devrait durer au moins un million de kilomètres, ce qui est bien plus que ce que l'utilisateur moyen parcourra au cours de la durée de vie de la voiture.
  • La conception de la batterie intègre des fonctionnalités de sécurité améliorées telles qu'une meilleure dissipation thermique et un risque réduit de défauts de fabrication grâce à la conception Tabless.
  • Tesla a déjà produit plusieurs millions de cellules 4680 de première génération et a acquis une précieuse expérience de fabrication et d'exploitation avec cette nouvelle batterie. Leur gigausine au Texas fournira des versions améliorées du 4680. La conception de la batterie arrive à maturité, ce qui réduit le risque de possession ou d'investissement.

Inconvénients

  • Pour l’instant, le 4680 est destiné uniquement à la nouvelle Tesla Model Y dont le prix est d’environ 60,000 XNUMX dollars. Cela n’est peut-être pas abordable pour beaucoup.
  • Les allégations concernant la nouvelle chimie des batteries n'ont pas été mises en œuvre dans la première génération de batteries 4680, qui semblent être NMC 811 et Graphite. Le lancement sur le marché des cellules 4680 à haute teneur en nickel et en silicium de Tesla pourrait prendre du temps.
  • Les concurrents peuvent proposer de meilleures conceptions de batteries 4680 ainsi que d’autres options, notamment des batteries sodium-ion ou à semi-conducteurs.

Evolution de la cellule de batterie cylindrique

Dans la conférence Nobel d'Akira Yoshiro prononcée en 2019, il retrace l'évolution de la technologie des batteries Lithium-ion. Les années 1990 ont vu l’introduction des téléphones mobiles, qui sont devenus un excellent choix pour les nouvelles batteries lithium-ion légères et à forte densité énergétique. Les marchés initiaux concernaient entièrement le segment de l’électronique personnelle, jusqu’en 2010, date à laquelle ils ont été introduits sur le marché des véhicules électriques. La figure 5, citée dans sa conférence, illustre la croissance du marché des batteries lithium-ion depuis 2010. Vous pouvez voir à quel point les véhicules électriques devraient dominer la part de marché d'ici 2025.

Evolution de la cellule de batterie cylindrique

La première voiture électrique commercialisée utilisant des batteries lithium-ion a été la Nissan Leaf. Le modèle de première génération a été produit de 2010 à 2017. Il utilisait des cellules lithium-ion laminées plates. Dans la terminologie des batteries, il s’agit du « format Pouch ». La dernière Nissan Leaf continue d'utiliser des batteries de type Pouch.

Les trois formes de batterie actuellement utilisées par les constructeurs de voitures électriques sont les types pochette, prismatique et cylindrique. En 2020, la part de marché de chaque type de batterie dans la catégorie des véhicules de tourisme était prismatique ~ 40 %, pochette ~ 35 % et cylindrique ~ 15 %. .

Tesla a été le premier à utiliser la cellule cylindrique lithium-ion pour ses véhicules électriques. Ils ont commencé avec le Panasonic 18650, relativement bon marché mais éprouvé, puis sont passés au facteur de forme 2170. Ils passent maintenant à la cellule 4680, beaucoup plus grande. D’autres fabricants comme BMW et CATL ont ensuite adopté les batteries cylindriques. Cependant, le moteur du marché est Tesla et l’évolution des batteries cylindriques lithium-ion reflète l’évolution de Tesla. La figure 6 montre des exemples de batteries cylindriques qui alimentent la croissance de Tesla.

Batterie 4680 contre batterie 18650

Pour les consommateurs, ce qui compte en fin de compte, ce sont les aspects économiques et pratiques de la propriété. Tesla est le plus grand constructeur de véhicules électriques au monde, et son chemin vers le succès a impliqué l'utilisation de batteries cylindriques au lithium-ion. Comparons donc les trois cellules cylindriques qui alimentent les voitures Tesla, du point de vue du consommateur.

Batterie 4680 contre batterie 18650

Comment la batterie Tesla la plus jeune et la plus grande se compare-t-elle à ses homologues les plus anciennes et les plus petites ? Pour répondre à cela, comparons les accus 4680 et 18650 :

Paramètre 4680 18650 Remarques
Capacité (maximale) 25000 mAh 3500 mAh En raison du mAH plus élevé, le 4680 durera plus longtemps entre les recharges
Densité énergétique (cellule) 276 à 333 Wh/kg 250 Wh/kg 4680 peut fournir plus de puissance.
Taille 46 mm de diamètre. x 80 mm hauteur. 18 mm de diamètre. x 65 mm hauteur. En raison de sa plus grande taille, le 4680 contient un Jelly Roll plus gros et peut stocker plus d'énergie.
Épaisseur de paroi du boîtier en acier 0.5-0.6mm 0.22 à 0.28 mm Le 4680 a une résistance mécanique plus élevée pour résister aux chocs
Cycle de vie 1000-2000 1500-4000 Le 4680 a une durée de vie inférieure à celle du 18650 mais nécessitera une charge moins fréquente
Poids net (maximum) 355 gms 50 gms Le 4680 est plus lourd et adapté aux voitures plus grosses.

Batterie 4680 contre batterie 2170

Étant donné que la batterie 2170 est le prédécesseur immédiat de la 4680 dans l’histoire évolutive de Tesla, la comparaison ci-dessous devrait être intéressante :

Paramètre 4680 2170 Remarques
Capacité (maximale) 25000 mAh 5600 mAh En raison du mAH plus élevé, le 4680 durera plus longtemps entre les recharges
Densité énergétique (cellule) 276 à 333 Wh/kg 276 à 300 Wh/kg La différence n'est pas grande.
Taille 46 mm de diamètre. x 80 mm hauteur. 21 mm de diamètre. x 70 mm hauteur. En raison de sa plus grande taille, le 4680 contient un Jelly Roll plus gros et peut stocker plus d'énergie.
Épaisseur de paroi du boîtier en acier 0.5-0.6mm 0.22 à 0.34 mm Le 4680 a une résistance mécanique plus élevée pour résister aux chocs
Cycle de vie 1000-2000 1500 Durée de vie similaire
Poids net (maximum) 355 gms 70 gms Le 4680 est plus lourd et adapté aux voitures plus grosses.

Conclusion

La nouvelle batterie 4680 lancée par Tesla change en effet la donne en raison de sa puissance et de son autonomie améliorées. Les dispositifs de sécurité sont désormais meilleurs. Le facteur clé sera le coût de la batterie, qui dépend de la réussite de l'intégration des coûts inférieurs des cathodes et des anodes.

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