Cellules de batterie prismatiques ou cylindriques : quelle est la différence ?

Points clés à retenir :

• Cellules prismatiques ou cylindriques : Les cellules prismatiques offrent une densité d'énergie volumétrique plus élevée et conviennent aux gros blocs-batteries, tandis que les cellules cylindriques offrent une densité d'énergie gravimétrique plus élevée et des coûts de fabrication inférieurs.
• Cas d'utilisation idéaux : Les cellules prismatiques excellent dans les batteries de véhicules électriques et les grands systèmes de stockage d'énergie, tandis que les cellules cylindriques sont préférées pour l'électronique grand public et les outils électriques.
• Tendances et perspectives : L’évolution vers des cellules prismatiques pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie est évidente, mais les cellules cylindriques restent dominantes dans les applications sensibles aux coûts.

Prismatique et cylindrique sont les deux plus courants batterie lithium-ion formes de cellules utilisées aujourd'hui. Bien que les deux présentent des avantages et des inconvénients distincts pour différentes applications, les cellules prismatiques gagnent en popularité en raison de leur capacité de conditionnement efficace et de leur adéquation aux grands blocs-piles. Cet article compare en profondeur les cellules prismatiques et cylindriques, en analysant les principales différences en termes de taille, de performances, de coût et de cas d'utilisation idéaux.

Que sont les cellules de batterie prismatiques ?

Définition et description des cellules prismatiques

Les cellules de batterie prismatiques, comme leur nom l'indique, ont une forme prismatique – ils ont un facteur de forme rectangulaire en forme de boîte. Le terme “prismatique” fait référence à une forme de prisme géométrique.

Les cellules prismatiques maximisent les surfaces planes des couches d'anode, de cathode et de séparateur, ce qui leur permet d'être empilées efficacement.

Comment sont construites les cellules prismatiques

Les cellules prismatiques sont construites en empilant des couches alternées de cathode, d'anode et de matériau séparateur, puis en les enfermant dans une boîte rectangulaire en aluminium ou en acier. Les couches d'électrodes sont connectées via des languettes, permettant au courant de circuler.

Il contient également un électrolyte pour le transport des ions. Le boîtier rigide aide à maintenir la forme de la cellule et assure son intégrité structurelle.

Tailles et compositions chimiques courantes des cellules prismatiques

Les tailles de batteries lithium-ion prismatiques courantes incluent le 103450 (103 mm x 45 mm), le 14650 (146 mm x 50 mm) et des formats plus grands comme le 22700 et le 32113. Contrairement à la cellule cylindrique 18650, ces tailles sont spécifiquement destinées aux géométries prismatiques.

Les cellules prismatiques sont souvent regroupées en modules et emballées efficacement pour former de grandes batteries pour les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie et d'autres applications nécessitant une capacité élevée.

Le phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) et l'oxyde de nickel-manganèse-cobalt (NMC) sont deux produits chimiques cathodiques populaires utilisés dans les cellules prismatiques. Le format prismatique permet une flexibilité dans la formulation de la cathode et les dimensions des cellules pour optimiser les performances.

Que sont les cellules de batterie cylindriques ?

Définition et description des cellules cylindriques

Les cellules de batterie cylindriques, comme leur nom l’indique, ont une forme de long cylindre ressemblant à un tube ou à une boîte de conserve. Les feuilles d'électrodes positives et négatives sont enroulées ou enroulées en un “rouleau de gelée” et placé à l'intérieur d'une boîte métallique cylindrique, généralement en acier ou en aluminium. Cela crée un empilement en spirale alterné de matériaux de cathode, d'anode et de séparateur à l'intérieur de la cellule.

La conception cylindrique maximise la surface des feuilles d'électrodes pouvant s'insérer dans l'espace confiné. La symétrie radiale contribue également à répartir uniformément les contraintes et les forces internes. Les cellules cylindriques sont disponibles en différents diamètres et hauteurs pour s'adapter à différentes capacités.

Comment sont construites les cellules cylindriques

Cellule cylindrique fabrication commence par revêtir les feuilles de cathode et d’anode sur de fines feuilles métalliques, généralement du cuivre pour l’anode et de l’aluminium pour la cathode. Ces feuilles enduites sont ensuite étroitement enroulées avec une membrane séparatrice pour créer l’ensemble d’électrodes jelly roll. Parfois, les feuilles d'électrodes sont empilées et pliées plutôt qu'enroulées.

Le rouleau de gelée est inséré dans la boîte cylindrique en acier ou en aluminium, qui sert de boîtier externe. Un capuchon et un joint ferment la boîte. Enfin, l'électrolyte est injecté dans la cellule pour permettre le flux d'ions entre l'anode et la cathode. Le boîtier cylindrique assure la structure et protège les électrodes.

Les bobineuses automatisées assurent une étanchéité et un alignement constants des rouleaux de gelée lors d'une production à grand volume. Un enroulement précis est essentiel pour minimiser la résistance électrique et maximiser les performances.

Tailles et compositions chimiques courantes des cellules cylindriques

Certaines des tailles de batteries lithium-ion cylindriques les plus utilisées sont 18650, 26650, 21 700 et 20 700 cellules. La taille 18650 est couramment utilisée dans les batteries d’ordinateurs portables, les outils électriques et autres appareils grand public. Les formats plus grands comme 21700 et 26650 gagnent en popularité pour les vélos électriques, les scooters et les véhicules électriques.

Les cellules cylindriques utilisent traditionnellement de l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) et de l'oxyde de lithium-manganèse (LiMn2O4) comme matériaux cathodiques. Désormais, les produits chimiques riches en nickel comme l'oxyde de nickel-cobalt-aluminium (NCA) et l'oxyde de nickel-manganèse-cobalt (NMC) sont également courants dans les cellules cylindriques hautes performances.

Principales différences entre les cellules prismatiques et cylindriques

Taille et forme

• Les cellules prismatiques sont généralement de plus grande taille. Les tailles prismatiques courantes vont de 103 450 (103 x 45 mm) à 530 450 (530 x 450 mm) ou plus.
• Les tailles de cellules cylindriques courantes incluent 18 650 (18 x 65 mm), 26 650 (26 x 65 mm) et 21 700 (21 x 70 mm). Les cellules cylindriques mesurent au maximum environ 46 x 150 mm.
• Les cellules prismatiques ont une densité d'énergie volumétrique d'environ 600 à 700 Wh/L, contre 500 à 600 Wh/L pour les cellules cylindriques.

Puissance et densité énergétique

• Les cellules cylindriques atteignent une densité d'énergie gravimétrique plus élevée de 260 Wh/kg, contre environ 200 Wh/kg pour les cellules prismatiques.
• La densité de puissance pour les cellules cylindriques de qualité atteint jusqu'à 1 500 W/kg contre 1 000 à 1 200 W/kg pour les cellules prismatiques.

Fabrication et coûts

• Les bobineuses de cellules cylindriques peuvent produire plus de 300 000 cellules par jour avec des coûts de main-d'œuvre inférieurs.
• La fabrication de cellules prismatiques à grande échelle comporte des étapes d’empilage, de pressage et de soudage plus complexes. La production est d'environ 50 000 cellules par jour.
• En conséquence, les cellules cylindriques ont actuellement un coût par kWh inférieur de 15 à 20 % à celui des cellules prismatiques.

Performances et durée de vie

• Les cellules prismatiques durent souvent plus de 5 000 cycles de charge/décharge avant de se dégrader de 20 %.
• Les cellules cylindriques réalisent généralement 2 000 à 3 000 cycles avant une dégradation de 20 % en raison d’un gonflement plus élevé.
• Les cellules prismatiques ont une résistance 5 à 10 % plus élevée, ce qui réduit légèrement la capacité de puissance.

Voici la section expliquant quand utiliser des cellules prismatiques ou cylindriques :

Quand utiliser des cellules prismatiques ou cylindriques

Applications mieux adaptées aux cellules prismatiques

• Packs de batteries pour véhicules électriques
• Grands systèmes de stockage d'énergie
• Applications nécessitant une densité énergétique élevée

Les cellules prismatiques sont bien adaptées à ces applications car leur forme et leur construction permettent de créer des batteries efficaces de haute capacité. La forme du prisme rectangulaire s'empile et s'emballe mieux que les cellules cylindriques.

Les cellules prismatiques présentent également des avantages tels qu’une meilleure capacité de gestion thermique et une rigidité structurelle pour éviter le gonflement.

Applications mieux adaptées aux cellules cylindriques

• Electronique grand public
• Outils électriques
• Applications nécessitant des cellules à moindre coût

Les cellules cylindriques fonctionnent bien pour ces applications car elles sont peu coûteuses à fabriquer en grand volume. La forme cylindrique offre également une bonne densité de puissance et une capacité de charge rapide, ce qui est important pour des appareils tels que les outils électriques. Leur format plus petit s’adapte bien aux appareils électroniques portables.

Tendances récentes et perspectives d'avenir

• Transition vers des cellules prismatiques pour les batteries de véhicules électriques et les grands systèmes de stockage d’énergie. Les fabricants adoptent de plus en plus de cellules prismatiques pour leurs avantages en matière d'emballage et de performances.
• Les cellules cylindriques restent préférées pour de nombreux appareils électroniques et outils grand public en raison de leur moindre coût. Mais certains appareils haut de gamme se tournent également vers les cellules prismatiques.
• Si les coûts de fabrication des cellules prismatiques continuent de diminuer, elles pourraient à l’avenir prendre davantage de parts de marché dans toutes les applications. Mais les cellules cylindriques conserveront probablement leur domination dans les applications sensibles aux coûts.

Les avantages et les inconvénients des cellules de batterie prismatiques ou cylindriques

Lors du choix entre des cellules lithium-ion prismatiques et cylindriques, il y a des compromis à prendre en compte en fonction des exigences de l'application. Les cellules prismatiques offrent une excellente densité énergétique grâce à leur forme et à leur boîtier rigide, ce qui les rend idéales pour les batteries qui doivent maximiser leur capacité. Cependant, les cellules cylindriques offrent une puissance de crête plus élevée et un coût inférieur, au détriment des problèmes de densité et de gonflement au niveau du pack.

Pour les appareils grand public à faible consommation où le coût est critique, les cellules cylindriques restent le choix dominant. Mais les applications exigeant les densités d’énergie les plus élevées, comme les véhicules électriques, se tournent vers des formats prismatiques malgré leur coût plus élevé. Avec l’amélioration continue de la fabrication et des densités, les cellules prismatiques gagneront probablement en popularité dans davantage d’applications à l’avenir. Mais la facilité de production signifie que les cellules cylindriques sont également là pour rester, en particulier pour les utilisations sensibles aux coûts.

En pesant soigneusement ces avantages et inconvénients, les ingénieurs en batteries peuvent sélectionner le type de cellule optimal pour répondre à leurs exigences en matière de performances, de durée de vie et de coût.

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