Tout ce que vous devez savoir sur la nouvelle cellule de batterie 4680 de Tesla

Tesla ne s’est pas retenu lors de la Journée de la batterie, annonçant un nouveau facteur de forme de cellule 4680 sans languette, parmi de nombreuses autres choses. Le nouveau facteur de forme élimine les languettes, augmente la densité énergétique, maintient des caractéristiques thermiques similaires à celles des cellules plus petites, améliore le rapport puissance/poids, rationalise la fabrication et réduit le coût.

Dit autrement, la nouvelle cellule 4680 de Tesla est l’équivalent d’apporter un pistolet à pommes de terre à un combat de frites. Passons en revue chacune des améliorations que le nouveau facteur de forme apporte à la table.

L’échelle est nécessaire

Tesla se contentait d’acheter des cellules avec sa chimie propriétaire auprès de ses fournisseurs, mais a vu des problèmes à l’horizon. Tesla vise à croître de manière constante à un taux de 40-50% par an, et pour ce faire, il va avoir besoin de plus en plus de batteries. Les prévisions de Tesla en matière de batteries ont montré un écart entre les limites de production de ses fournisseurs de cellules de batterie et la demande interne de Tesla pour ses activités automobiles et de stockage d’énergie.

Pour résoudre ce problème, les équipes de Tesla ont travaillé dur pour acheter et concevoir de nouvelles solutions techniques afin d’apporter de nouvelles améliorations au format des cellules de batterie. Peut-être plus important encore, Tesla a tiré parti de son savoir-faire dans l’espace de fabrication des cellules de batterie ainsi que de sa compétence en matière d’équipement de fabrication de premier plan dans le monde pour repenser l’ensemble du processus du début à la fin.

Amélioration du changement d’étape dans la fabrication des cellules

En cherchant à améliorer l’efficacité de la fabrication automobile, Tesla a rapidement dépassé la simple conception et la construction des produits, en allant dans la conception de la machine qui construit la machine. La fabrication est difficile, mais l’engagement de Tesla l’a conduite au-delà du produit pour concevoir des produits plus faciles à fabriquer. Nous avons vu cela pour la première fois avec le Model 3, et le travail s’est poursuivi avec chaque itération.

Lorsque le moment est venu de concevoir la nouvelle batterie, Tesla a regardé tout le long de la chaîne, jusqu’au point de départ. Faire cela est un reflet de l’obsession de Musk pour la pensée des premiers principes. Il essaie de commencer chaque conception, chaque discussion par ce qui est véritablement le plus petit dénominateur commun – la vérité la plus simple qui ancre nos produits dans les minéraux qui les composent. Lorsque ceux-ci ont été définis et affinés encore et encore, il est alors possible de construire une conception optimisée.

Les 4680 lignes de production de cellules de batterie de Tesla. Capture d’écran du livestream du Battery Day de Tesla.

Dans le monde des batteries, nous avons vu Tesla établir de nouvelles vérités de terrain avec l’acquisition des pionniers des batteries et des supercondensateurs chez Maxwell Technologies et Hibar Systems. Tesla a fait ses classes dans la construction de sa première Gigafactory à Sparks, dans le Nevada, en acquérant les experts en équipements de fabrication de Grohmann Automation. Grohmann est rapidement devenu le principal développeur des lignes de production de cellules de batterie à la Gigafactory 1 de Tesla, ajoutant des lignes de production de plus en plus avancées de Grohmann à l’usine à mesure que la capacité de production de cellules était nécessaire.

L’amélioration de chacun des silos primaires composant une batterie était utile et a conduit à une plus grande efficacité à la Gigafactory 1, mais Tesla a vu une vision plus grande. Intégration complète. Lors de l’événement Battery Day de Tesla aujourd’hui, Drew Baglino a déballé la vision en cours de réalisation chez Tesla.

Les 4680 lignes de production de cellules de batterie de Tesla. Capture d’écran du livestream du Battery Day de Tesla.

« L’intégration verticale avec les équipes de conception de machines chez Grohmann, Highbar et d’autres nous permet de vraiment accomplir cela parce que nous n’avons aucune de ces conditions de bord entre une pièce d’équipement et une autre », a déclaré Baglino. « Nous pouvons concevoir l’ensemble de la machine pour qu’elle soit une seule et même machine et supprimer toutes ces étapes inutiles. »

La poursuite incessante de l’intégration verticale par Tesla vient d’un désir d’éliminer les inefficacités et d’améliorer la durabilité du produit. Un sous-produit de l’intégration verticale de Tesla est une amélioration très nécessaire du coût, entraînant le coût des produits de Tesla à la baisse au fil du temps.

L’architecture sans onglet des nouvelles cellules 4680 a également un impact direct dans l’amélioration de la fabricabilité. Non seulement la conception sans onglet élimine le besoin d’un onglet, mais elle élimine le besoin pour les lignes de production de faire une pause pour ajouter les onglets. Les nouvelles cellules sans languette éliminent cette bosse sur la route, permettant une ligne de fabrication qui est moins sujette aux défauts de fabrication alors qu’elle ronronne, roulant et crachant des cellules massives 4680.

« Ce n’est pas seulement un concept ou un rendu », a déclaré Baglino. « Nous commençons à accélérer la fabrication de ces cellules dans notre installation pilote de production de 10 GWh, juste au coin de la rue. » Le projet Roadrunner de Tesla a établi une ligne pilote pour la fabrication des 4680 cellules, et selon le PDG Elon Musk, ils voient une voie claire pour accélérer les processus de la ligne pilote à l’échelle du gigawattheure et même du térawattheure.

« Il faudra un certain temps pour atteindre la capacité de production de 10 GWh », a déclaré Musk. L’entreprise prévoit que les problèmes des nouvelles lignes de production seront résolus au cours des 12 prochains mois. À ce moment-là, il sera temps de passer à l’échelle. « Les usines de production réelles seront de l’ordre de 200 GWh ou plus au fil du temps. »

À long terme, ce ne sont pas les nouvelles dimensions des cellules, la chimie ou la configuration de ses véhicules que Tesla détient comme compétence de base. C’est plutôt la fabrication qui est la clé. « À terme, chaque constructeur automobile disposera de voitures électriques à longue autonomie », a déclaré un Musk passionné. « À terme, toutes les entreprises disposeront de l’autonomie. Mais toutes les entreprises ne seront pas excellentes dans la fabrication. Tesla sera absolument, de la tête et des épaules, au-dessus de tout le monde dans la fabrication. C’est notre objectif. »

Form Factor

L’un des résultats de ces efforts est un nouveau format de cellule de batterie cylindrique sans languette 4680 qui apporte une foule d’avantages en matière de performance, de fabrication et de coût. Comme leur nom l’indique, les nouvelles cellules jumbo mesurent 46 mm de diamètre et 80 mm de hauteur. Ce format plus grand permet d’intégrer davantage de matériau actif dans le boîtier, ce qui améliore de 5 fois le stockage d’énergie et de 6 fois la puissance. À l’échelle du pack, le nouveau facteur de forme offre à lui seul une augmentation de 16 % de l’autonomie.

Les nouvelles cellules 4680 sans languette sont fondamentalement supérieures aux cellules avec languette à peu près à tous les égards. Même si elles sont plus grandes, l’élimination de la languette permet en fait aux électrons de se déplacer plus facilement à l’intérieur de la cellule que dans les cellules 2170 actuelles. « Vous avez en fait une longueur de chemin plus courte dans une grande cellule sans languette que dans une cellule plus petite avec des languettes », a déclaré Musk.

La chimie améliorée – alias, le silicium est génial

Les nouvelles cellules ne sont pas le résultat d’une seule modification de la taille des cellules. Tout comme les nombreuses réécritures du pilote automatique Tesla au fil des ans, les cellules 4680 représentent une réécriture fondamentale de l’histoire des cellules de batterie chez Tesla.

Le silicium est utilisé dans les batteries de Tesla aujourd’hui, mais ses propriétés physiques en font un élément un peu difficile à utiliser à des volumes plus élevés. « Le défi avec le silicium est qu’il se dilate 4× lorsqu’il est chargé avec du lithium », a déclaré Baglino. Le silicium est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre après l’oxygène, ce qui en fait une matière première peu coûteuse et facile à acquérir. En fait, le sable n’est que du dioxyde de silicium.

Pour travailler autour des bords rugueux du silicium, Tesla a peut-être sans surprise commencé avec du silicium brut. Dès le départ, cela réduit le coût du silicium, et Tesla a simplement construit une nouvelle chimie pour le compléter. « Stabiliser la surface avec un revêtement polymère élastique conducteur d’ions qui est appliqué par une approche très évolutive », a déclaré Baglino.

C’est beaucoup plus simple que les processus actuels et permet d’utiliser un pourcentage plus élevé de silicium dans les cellules. Le résultat est une cellule moins chère qui se targue également d’une plus grande capacité. « Nous pouvons augmenter l’autonomie de nos véhicules de 20 % supplémentaires », a déclaré M. Baglino. La cerise sur le gâteau est que les cellules sont également moins chères. « Cela représente une réduction supplémentaire de 5 % au niveau du pack de batteries. »

Si cela ressemble à l’ultime gagnant-gagnant, vous avez tout à fait raison. C’est l’une des nombreuses raisons pour lesquelles Elon Musk, de Tesla, a bouillonné d’excitation à propos de la Journée de la batterie, par ailleurs lourde en technologie, au cours des derniers mois.

Réimaginer la production de cathodes

Selon Tesla, les processus de production de cathodes actuels sont basés sur des chimies et des processus hérités développés en silos. Tesla étant Tesla, une nouvelle feuille blanche a été utilisée pour rédiger un plan visant à optimiser chaque étape afin de minimiser les déchets et les coûts du minerai à la cathode.

Le pictogramme simplifié d’une chaîne d’approvisionnement mondiale extrêmement compliquée s’étendant du traitement du minerai brut à la livraison de la cathode finie est beaucoup moins alambiqué. Non seulement elle est plus rationalisée, mais elle est beaucoup moins chère et entraîne moins de déchets.

Les nouvelles cathodes à haute teneur en nickel de Tesla éliminent complètement le besoin de cobalt. D’un point de vue chimique, le cobalt est un ancrage fantastique pour une cathode, mais il s’accompagne de sérieuses mises en garde.

D’emblée, le cobalt est toxique. Moins il y a de matériaux toxiques que les humains doivent extraire, traiter et utiliser, mieux c’est.

Il est également extrêmement difficile de sécuriser une source de cobalt qui soit durable, car la grande majorité de la production de cobalt dans le monde provient d’un seul pays – la République démocratique du Congo. Les dirigeants de ce pays n’ont pas été des plus stables, et l’injection de centaines de millions de dollars dans un système déjà corrompu n’arrange pas les choses. Avec les véhicules électriques et les produits de consommation qui mettent encore plus de pression sur un système déjà mis à mal, les prix se sont déstabilisés.

L’éthique peut parfois passer à la trappe, certains groupes de défense des droits de l’homme ayant inventé le terme  » cobalt de conflit. »

Roulez tous ces facteurs ensemble et le cobalt, bien que bénéfique dans la cellule de la batterie, est tout sauf bénéfique pour une entreprise qui cherche à augmenter la production de batteries à 3 térawattheures par an d’ici 2030.

L’abandon du cobalt en faveur d’une cathode à haute teneur en nickel améliore également le coût d’une cathode de 15% sur une base de coût par kilowattheure. C’est énorme. Concevoir et fabriquer des cathodes à partir de zéro donne également à Tesla une excellente longueur d’avance pour construire ses propres systèmes internes de recyclage des batteries.

En tout, le travail de Tesla sur les cathodes a abouti à un processus qui réduit le coût de traitement d’une cathode d’un stupéfiant 76%. Tout cela est fait avec beaucoup moins d’équipement, ce qui se traduit par une économie de 66 % des dépenses d’investissement pour la production de cathodes. Cerise sur le gâteau, le nouveau procédé utilise beaucoup moins d’eau que le procédé traditionnel. En fait, le nouveau processus aboutit à une eau zéro déchet.

Tesla déploie toutes ces améliorations dans une nouvelle installation de production de cathodes en Amérique du Nord. Elle sera située de manière à minimiser les déplacements sans valeur ajoutée pour les matières premières et les produits intermédiaires dans la région.

Caractéristiques thermiques améliorées

L’amélioration qui fait une grande partie du travail lourd pour permettre l’utilisation d’un facteur de forme plus grand est la conception sans onglet. L’élimination des languettes réduit la résistance interne de la cellule causée par le composant supplémentaire. La résistance interne se traduit par une plus grande production de chaleur, un processus de fabrication plus complexe et un coût plus élevé.

La nouvelle cellule 4680 de Tesla élimine la languette interne, intégrant plutôt la fonction de la languette dans le jelly roll lui-même, ce qui donne un aspect propre et uniforme à l’extrémité de la cellule. « Nous avons essentiellement pris les feuilles existantes, les avons poudrées au laser et avons permis des dizaines de connexions dans le matériau actif à travers cette spirale en bardeaux », a déclaré Drew Baglino, SVP de Tesla.

L’élimination de la languette sur chaque cellule « supprime le problème thermique de l’équation et nous permet d’aller vers le facteur de forme le plus bas en termes absolus et le processus de fabrication le plus simple », a déclaré Baglino.

En se concentrant sur les avantages thermiques de la conception sans onglet de la nouvelle cellule 4680 de Tesla, la nouvelle conception permet aux cellules de plus grand diamètre d’atteindre des caractéristiques thermiques similaires à celles d’une cellule plus petite. En d’autres termes, elles restent aussi froides que les cellules plus petites, ce qui permet à Tesla de faire entrer plus de puissance dans le même volume physique.

Les cellules à onglet de plus grande taille ont historiquement eu du mal à évacuer la chaleur à des vitesses de charge très rapides. La nouvelle cellule de Tesla perturbe la tendance, se chargeant presque aussi vite qu’une cellule plus petite, tout en apportant tous les avantages d’une cellule plus grande à la table. Tesla a pu prendre le meilleur des deux mondes, perturbant complètement le petit mais croissant monde de la production de cellules de batteries automobiles.

Je vous entends, mais alors quoi ?

C’est beaucoup de contenu technique pour quelque chose auquel la plupart des humains ne pensent jamais. Les cellules de batterie sont massivement complexes et la dernière réécriture par Tesla du bloc de construction fondamental entrant dans ses véhicules électriques et ses systèmes de stockage d’énergie pourrait être difficile à digérer. Mettons-y un arc.

Tout compte fait, la nouvelle cellule de batterie 4680 de Tesla représente un changement de paradigme dans le stockage d’énergie automobile. Les nouvelles cellules sont beaucoup moins chères et peuvent stocker beaucoup plus d’énergie par unité de volume. Elles ont été redessinées a comme éléments structurels du véhicule, ce qui permet d’obtenir un véhicule moins cher et plus rigide.

Tesla a déployé des centaines, voire des milliers de petites améliorations aujourd’hui qui apportent des améliorations par étapes au bloc de construction fondamental de l’entreprise Tesla – la cellule de batterie.

  • Amélioration de 14% du coût/kWh provenant du changement de facteur de forme de la cellule.
  • Amélioration de 18% du coût/kWh provenant de la réduction de 10× de l’empreinte de fabrication et de 10× de la consommation d’énergie de fabrication. Le nouveau procédé de fabrication à sec permet de presser le matériau actif en poudre de la batterie directement dans un film. Le nouveau procédé de fabrication est basé sur le procédé de « preuve de concept » exclusif de Maxwell Technologies. Le processus n’est pas encore à l’échelle de production, mais il existe une « voie claire » vers la production à grande échelle.
  • Amélioration de 5% du coût/kWh provenant de l’augmentation de l’utilisation du silicium dans les cellules de la batterie.
  • Réduction de 12% du coût/kWh provenant des améliorations du matériau de la cathode.
  • Amélioration de 7% du coût du pack de batteries par kWh en raison de la nouvelle conception intégrée des véhicules de Tesla. Tesla a redessiné ses véhicules en utilisant de nouvelles pièces moulées avant et arrière qui s’intègrent au bloc-batterie. Pour ce faire, Tesla a mis au point un alliage entièrement nouveau permettant le moulage de certains des plus grands composants de l’industrie automobile. Ceux-ci se boulonnent directement dans une nouvelle « batterie structurelle », éliminant ainsi le besoin d’éléments redondants et parallèles dans les Teslas.

Au total, la nouvelle conception de la batterie, de la cathode et du châssis du véhicule par Tesla se traduit par une amélioration attendue de 56 % du coût du kWh de Tesla. Cela change la donne pour Tesla et permettra une toute nouvelle génération de véhicules électriques à faible coût. Tout commence par l’humble cellule de la batterie. Tesla a fait des progrès considérables en repensant la cellule de batterie et est en bonne voie pour mettre ces nouvelles cellules en production. Mais tout compte fait, il faudra à l’entreprise 18 mois pour que la plupart de ces changements arrivent en production.

Toutes les images capturées lors du livestream de la Journée de la batterie de Tesla.

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