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« Tesla Battery Day » : décryptage des innovations-clés de la batterie « maison » d'Elon Musk

Xavier Boivinet
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« Tesla Battery Day » : décryptage des innovations-clés de la batterie « maison » d'Elon Musk

L'architecture de la batterie "made in Tesla" se débarrasse des collecteurs de courant sous forme de languettes métalliques uniques pour les répartir sur toute la section de la cellule.

© Capture d'écran / Youtube / Tesla

Lors d’un « Tesla Battery Day » organisé le 22 septembre, l’entreprise californienne a dévoilé sa batterie lithium-ion développée en interne qu’elle compte produire seule. Plus grosse et dotée d’une architecture innovante au niveau des collecteurs de courant, elle intègre une série d’innovations qui devraient permettre de diviser par deux le prix du kilowattheure stocké, espère l'entreprise d'Elon Musk.

Tesla a tenu le 22 septembre sa réunion annuelle dédiée aux investisseurs à Fremont (Californie, Etats-Unis). Mais l’évènement le plus attendu de la journée était sans conteste celui qui suivait : le « Tesla Battery Day ». Après des fuites dans la presse, des rumeurs et du « teasing » sur Twitter comme Elon Musk sait si bien le faire, le patron de l’entreprise californienne a enfin présenté la batterie lithium-ion « made in Tesla ». Celle-ci sera produite dans les usines du groupe. Celui-ci précise tout de même vouloir continuer à acheter en parallèle des batteries à ses fournisseurs historiques que sont Panasonic, LG et CATL.

« Pour une fois - et c’est tant mieux -, Elon Musk n’a pas fait d’annonce extravagante et a présenté des évolutions réalistes à propos de chaque composant des batteries », souligne Christophe Pillot, directeur d’Avicenne Energy et spécialiste des batteries.

Une voiture électrique à 25 000 dollars en 2023

Objectifs pour Tesla : atteindre des capacités de production de batteries à l’échelle du térawattheure (TWh, soit 1000 GWh) et baisser les coûts pour rendre les véhicules électriques « plus abordables ». Un modèle à 25 000 dollars est annoncé d’ici trois ans, contre 35 000 dollars pour son modèle le moins cher aujourd’hui. « Nous avons les moyens de diviser par deux le prix par kilowattheure (kWh) », a lancé sur scène Drew Baglino, en charge de l’ingénierie et de la technologie chez Tesla.

Ces moyens, Drew Baglino et Elon Musk les ont détaillés sur scène pendant plus d’une heure. Il s’agit d’abord de produire en masse des batteries « maison » en atteignant une capacité de production de 100 GWh/an en 2022 et de 3 000 GWh d’ici à 2030. Mais la baisse des coûts vient aussi d’une série d’innovations sur cinq éléments : l’architecture des cellules, leur production, les matériaux d’électrodes positive et négative et l’intégration des batteries dans le véhicule. « Il n’y a pas de révolution, mais l’annonce la plus surprenante concerne l’architecture présentée dont je n’avais jamais entendu parler », admet M. Pillot.

Des collecteurs de courant en spirale

Cette nouvelle architecture permet, selon Tesla, de réduire de 14 % le prix du kWh. Dite « tabless », la cellule est dépourvue de la pièce qui relie généralement les collecteurs de courant - ces petites languettes d’aluminium ou de cuivre qui dépassent de chaque côté des cellules cylindriques classiques - au circuit externe. Les collecteurs de courant sont découpés au laser et répartis sur toute la section de la cellule dans une sorte de spirale. « Personne ne l’a jamais fait », a assuré Elon Musk.

Plus grosse que les formats plus classiques 1865 et 2170, la cellule se présente dans un format 4680, soit 46 millimètres (mm) de diamètre pour 80 mm de longueur.

« L’architecture tabless permet de se débarrasser des problèmes que posent les cellules plus grosses, notamment liés au temps de charge et à l’échauffement thermique, a expliqué Drew Baglino. De plus, cette architecture est plus simple à produire, comprend moins de composants et divise par cinq la distance à parcourir par les électrons, ce qui explique les moindres pertes thermiques. »

Tesla assure que ces batteries permettraient de multiplier par 5 l’énergie stockée, par 6 la puissance, et d’augmenter de 16 % l’autonomie du véhicule.

Drew Baglino a ajouté que Tesla produit déjà ces batteries sur une ligne pilote et accroît sa capacité de production dans son usine californienne de Fremont. « Cela prendra environ un an avant d’atteindre une capacité 10 GWh par an », a précisé Elon Musk.

Fabrication en voie sèche et en continu

Grâce à des évolutions du procédé de fabrication, Tesla estime pouvoir gagner 18 % au niveau du coût par kWh d’une batterie et réduire l’empreinte au sol de ses usines. L’entreprise juge possible de produire 1 TWh de batteries par an sur une surface plus faible que celle qui permettrait de produire 150 GWh par an dans sa gigafactory du Nevada.

Pour fabriquer les électrodes, Tesla compte se débarrasser des solvants grâce à un procédé d’enduction en voie sèche. Le mélange de poudre est directement déposé sur le film métallique support de l’électrode. « Ce n’est pas vraiment nouveau, assure M. Pillot. Tout le monde fait des recherches sur ce sujet. » « Il y a encore beaucoup de travail avant de maîtriser ce procédé, a admis Elon Musk. Mais nous sommes proches. » Les gains seraient énormes selon M. Baglino : une diminution par 10 de l’empreinte au sol de l’usine, et par 10 également de l’énergie nécessaire pour réaliser l’étape d’enduction.

Selon Tesla, l’architecture « tabless » de la batterie permettrait également de réaliser un assemblage plus continu, en se débarrassant d’étapes d’assemblage qui amènent normalement des discontinuités dans la chaîne. « Cela permet d’accélérer le procédé et c’est là le gros intérêt de cette nouvelle architecture », souligne M. Pillot. Une ligne d’assemblage permettrait de produire 20 GWh par an, soit 7 fois plus que les lignes actuelles, assure l’entreprise.

Ajout de silicium dans l’électrode négative

Comme beaucoup de fabricants de batteries, Tesla mise sur le silicium dans l’électrode négative, couplé au graphite. L’avantage du silicium est qu’il est capable de stocker plus de lithium que le graphite – 9 fois plus selon Tesla. L’inconvénient : il gonfle lorsqu’il stocke du lithium, ce qui dégrade l’électrode.

Pour y remédier, Tesla indique utiliser un revêtement en polymère élastique conducteur d’ions autour de silicium pur pour le stabiliser avant de l’intégrer dans l’électrode négative de graphite. « Grâce à cette technique, une électrode coûte 1,2 dollar par kWh et l’autonomie d’un véhicule peut être augmentée de 20 % », a assuré M. Baglino.

Réduction de la quantité de cobalt

Concernant la cathode, Elon Musk a parlé d’une cathode sans cobalt, qui maximise la quantité de nickel. « Cela paraît tout de même difficile de se débarrasser entièrement du cobalt qui apporte de la stabilité, nuance M. Pillot. Tous les fabricants cherchent à en réduire la quantité dans leurs batteries, mais même s’il en reste un petit peu, ce n’est pas vraiment un problème. »

Enfin, la dernière innovation intéressante concerne l’intégration de la batterie dans le véhicule. Les cellules sont placées directement dans le châssis en se passant des éléments structurels des packs batteries. De quoi gagner en masse (- 10 %) et en autonomie du véhicule (+ 14 %), selon Tesla. « Tout le monde a cette ambition, précise M. Pillot. Mais c’est généralement fait avec des grosses cellules prismatiques. Le faire avec des petites cellules cylindriques est surprenant et sera sans doute plus compliqué. » A voir comment Tesla s'en sort.

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