Lancées en 1995, les cellules pochettes ont toujours présenté une conception unique, dans laquelle la batterie est encapsulée dans un film plastique souple au lieu d’un boîtier rigide comme les cellules cylindriques et prismatiques.
Comme la pochette souple n’offre aucune protection, les cellules sont encapsulées dans une structure externe appelée module de batterie. Celle-ci est conçue pour protéger les cellules, gérer la chaleur et les connecter électriquement.
Comme les modules ne peuvent accueillir qu’un nombre limité de cellules pochettes, plusieurs modules sont nécessaires. Dans l’assemblage final du bloc-batterie, tous les modules sont connectés électriquement les uns aux autres.
Les cellules pochettes et les structures qui les renferment ont évolué au fil des ans. Voici comment elles ont évolué depuis 1995 et où elles se dirigent.
Table des matières
Les cellules pochettes présentent un mélange intéressant d’avantages et d’inconvénients.
Du côté positif, elles sont légères et ne comportent pas de boîtier solide. Cela leur permet d’atteindre une densité énergétique plus élevée et d’être utilisées dans des appareils compacts qui nécessitent des designs fins, tels que les ordinateurs portables et les téléphones cellulaires.
Elles offrent également une meilleure extraction de la chaleur grâce à leur rapport surface/volume élevé (c’est-à-dire qu’elles ont une grande surface par rapport à leur volume). Cela les rend idéales pour les applications à haute puissance qui exigent une gestion thermique rigoureuse.
Pour les équipementiers automobiles, les cellules pochettes présentent l’avantage de pouvoir être ajustées en fonction de leurs besoins spécifiques. Quelle que soit leur forme finale, les cellules peuvent être simplement scellées par ultrasons. Les personnalisations ne sont pas aussi simples avec d’autres types de batteries. Avec les cellules cylindriques, par exemple, les dimensions doivent être soigneusement optimisées pour obtenir des performances maximales, comme c’est le cas avec les formats standard tels que les 18650, les 21700 ou les 4680.
| L’inconvénient des cellules pochettes est qu’elles ne sont pas assez résistantes pour supporter la pression des gaz libérés pendant les cycles de charge. La pression qui en résulte peut endommager les cellules ou provoquer leur vieillissement irrégulier, ce qui entraîne une baisse des performances. Par conséquent, une structure externe (module, plaques séparatrices, ressorts, mécanisme de compression, etc.) est nécessaire pour contrebalancer les changements de pression. |  |
En raison de leur structure souple, les cellules pochettes ne peuvent pas être utilisées dans les conceptions de type cell-to-pack où les cellules contribuent à la structure du véhicule. Cela limite leur pertinence dans les tendances technologiques actuelles des véhicules électriques, car un nombre croissant de constructeurs misent sur des batteries structurelles pour réduire le poids et augmenter l’autonomie.
| Les premières cellules pochettes ont été conçues avec les deux connexions électriques sur le dessus. Les collecteurs de courant à l’intérieur de la poche sont connectés aux languettes qui sortent de la cellule. |  |
Pour extraire la chaleur, certaines conceptions utilisent des feuilles d’aluminium épaisses insérées entre les cellules. Ces feuilles transportent la chaleur vers une plaque de refroidissement placée au fond. Les feuilles d’aluminium, mieux connues sous le nom de plaques de transfert thermique, sont en forme de L afin d’augmenter la surface de contact avec la plaque de refroidissement. Ces plaques ajoutent du poids à l’assemblage final de la batterie. Elles sont collées à la plaque de refroidissement à l’aide de matériaux d’interface thermique. |  |
La pochette longue a été développée pour rendre les connexions électriques plus efficaces. Le changement le plus important réside dans le fait que les connexions électriques positives et négatives sont séparées sur deux côtés. Cela permet d’avoir des collecteurs de courant plus grands à l’intérieur des cellules et, par conséquent, une résistance électrique moindre. Comme les languettes se trouvent sur des côtés différents, la hauteur peut être réduite pour mieux s’adapter au plancher de l’automobile. |  |
Avec sa forme rectangulaire, la pochette longue offre une surface de contact accrue avec la plaque de refroidissement, ce qui améliore le transfert thermique. Grâce à cette conception, les fabricants ont commencé à ajouter des matériaux d’interface thermique au bas des cellules (où la majeure partie de la chaleur peut être extraite) et ont utilisé le module pour envelopper les cellules au lieu d’ajouter des plaques entre celles-ci. |  |
La dernière version de la pochette longue a apporté des modifications qui ont amélioré le refroidissement et simplifié l’assemblage. Avec cette conception, les connexions électriques sont plus proches de la plaque de refroidissement. Cela rend l’extraction de la chaleur plus efficace. |  |
Le module de batterie qui renferme les cellules est également ouvert dans sa partie inférieure, ce qui permet aux cellules d’être en contact direct avec la plaque de refroidissement. Le boîtier étant ouvert, une seule couche de matériaux d’interface thermique est nécessaire au bas des cellules, au lieu de deux. |  |
Les cellules pochettes font l’objet de recherches et développements constants. L’une des innovations les plus récentes est la cellule de batterie sans métal de Sakuu, qui présente une batterie sans connexions électriques et donc sans métal.
Un film polymère maintient les composants ensemble, mais contrairement aux autres types de cellules pochettes, ce film sert uniquement à sceller les bords de la cellule. Cela laisse une ouverture sur les deux surfaces et permet de connecter électriquement les cellules en les empilant simplement. Comme il n’y a pas de languettes, les connexions externes en aluminium et en cuivre ne sont pas nécessaires. Cela permet de réduire le poids de la batterie, d’éliminer une source de résistance électrique et de réduire les coûts des matières premières. |  |
Ce nouveau type de pochette pourrait révolutionner la conception des batteries. À titre de référence, les cellules cylindriques 4680 de Tesla ont une densité énergétique de 272 Wh/kg, tandis que les cellules pochettes de Sakuu offrent une densité énergétique bien supérieure, à 354 Wh/kg. Ces résultats significatifs pourraient permettre d’améliorer l’autonomie des véhicules électriques.
Cependant, de nombreuses questions restent en suspens. Ces cellules n’ont pas encore été intégrées dans un bloc-batterie complet.
Quelle sera la densité énergétique totale du bloc-batterie ? Les cellules 4680 de Tesla peuvent être utilisées dans la structure des véhicules électriques, tandis que les cellules de Sakuu nécessiteront des structures plus solides qui alourdiront le poids.
Une véritable comparaison ne sera possible que lorsque les batteries de Sakuu seront intégrées dans un ensemble complet.
Sur le marché actuel, les cellules pochettes sont largement éclipsées par les cellules cylindriques et prismatiques. La plupart des fabricants utilisent ou prévoient d’utiliser des cellules cylindriques, car elles offrent un compromis entre rentabilité et densité énergétique. Les cellules prismatiques sont également très populaires en Chine en raison de leur bonne intégration avec les batteries LFP, la chimie de batterie la plus répandue dans ce pays.
Cela dit, les cellules pochettes sont toujours choisies pour leur capacité à répondre à des pics de puissance élevés et à gérer efficacement la chaleur. Voici quelques exemples d’applications dans lesquelles elles sont actuellement utilisées :
Malgré le récent déclin de la popularité des cellules pochettes, des innovations telles que la conception sans métal de Sakuu ont le potentiel de renouveler l’intérêt, de changer complètement la façon dont les cellules pochettes sont assemblées, d’améliorer l’autonomie des véhicules électriques et de réduire leur coût.
À mesure que ces technologies continueront à se développer et à s’intégrer dans des packs de batteries complets, l’impact réel de ces innovations deviendra plus clair.
Expert technique et consultant en batteries et systèmes de propulsion électrique, Stéphane est titulaire d’un diplôme en physique avec une spécialisation en photonique, optique, électronique, robotique et acoustique. Investi dans la transition vers les véhicules électriques, il a conçu des batteries industrielles pour vélos électriques. Pendant son temps libre, il anime une chaîne YouTube consacrée à tout ce qui touche à l’électricité.
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