Formats des cellules de batterie des VE : cylindriques, prismatiques et en poche

Les cellules de batterie des véhicules électriques se déclinent en trois grands formats : cylindriques dans un boîtier métallique rond, prismatiques dans un boîtier métallique rectangulaire et en poche, scellées dans un film multicouche souple. Baazouzi et al. : conception et fabrication des cellules cylindriques (2023) Leur forme et leur enveloppe influencent leur agencement, l’évacuation de la chaleur et leur maintien dans la batterie.

Ce chapitre explique cette construction physique, dans le prolongement des matériaux présentés dans Chimie et composants des cellules.

Format de cellule et assemblage interne

À l’intérieur d’une cellule, un séparateur électriquement isolant sépare les fines électrodes positives et négatives. Ces couches forment un assemblage répétitif qui peut être enroulé ou empilé.

L’enroulement consiste à rouler des bandes continues d’électrodes et de séparateur pour former une structure souvent appelée « jelly roll ». Les cellules cylindriques utilisent un enroulement rond. Un boîtier prismatique peut contenir des enroulements aplatis ou des électrodes empilées. Baazouzi et al. : conception et fabrication des cellules cylindriques (2023) Dans l’empilage en Z, des feuilles d’électrode individuelles sont placées alternativement de chaque côté d’un séparateur plié en accordéon. Samsung SDI présente l’enroulement et l’empilage en Z comme deux façons d’assembler les mêmes couches essentielles et insiste sur la précision de l’alignement pendant l’enroulement pour éviter les courts-circuits internes. Samsung SDI : assemblage des cellules, bobinage et empilage en Z (2026)

L’enveloppe et l’assemblage interne sont donc deux choix de conception distincts. « Prismatique » décrit la forme extérieure, sans indiquer si les électrodes sont enroulées ou empilées. Le format ne précise pas non plus la chimie : LFP et NMC désignent les matériaux des électrodes, tandis que cylindrique, prismatique et en poche décrivent la construction physique. PowerCo : premières cellules de Salzgitter et architecture Unified Cell (2025)

Cellules cylindriques

Une cellule cylindrique enferme ses électrodes enroulées dans un boîtier métallique rigide. Baazouzi et al. : conception et fabrication des cellules cylindriques (2023) Ce boîtier donne une forme définie à la cellule pour sa manipulation et son assemblage. Lorsque plusieurs cylindres sont regroupés, des espaces subsistent entre leurs surfaces courbes. Les concepteurs de batteries peuvent utiliser une partie de ces espaces pour le refroidissement ou d’autres composants.

Dimensions et désignations

Les désignations courantes indiquent approximativement le diamètre et la hauteur. Une cellule 18650 mesure environ 18 mm de diamètre et 65 mm de hauteur. Panasonic : dimensions des cellules 18650 (2012) Une cellule 21700, également appelée 2170, mesure environ 21 mm sur 70 mm. Panasonic : désignation des tailles de cellules cylindriques (2021) Une cellule 4680 mesure environ 46 mm sur 80 mm. Baazouzi et al. : conception et fabrication des cellules cylindriques (2023) Il s’agit de dimensions nominales ; les dimensions exactes et leurs tolérances figurent dans la fiche technique de chaque cellule.

Languettes et collecte du courant

Les revêtements des électrodes reposent sur des feuilles métalliques appelées collecteurs de courant. Les connexions électriques entre ces feuilles et les bornes de la cellule sont généralement appelées languettes. Leur position détermine la distance que le courant parcourt dans la feuille et les endroits où la résistance électrique produit de la chaleur.

Avec quelques languettes localisées, la collecte du courant se concentre à ces emplacements. Des languettes multiples ou des connexions réparties le long des bords des électrodes raccourcissent les trajets dans la feuille. Li et al. : conception des languettes et refroidissement des cellules cylindriques (2021) Les conceptions dites « tabless » possèdent toujours des connexions électriques : le terme désigne une collecte répartie plutôt que quelques languettes séparées. Baazouzi et ses collègues documentent des connexions réalisées par les bords exposés des feuilles collectrices. Baazouzi et al. : conception et fabrication des cellules cylindriques (2023)

La chaleur peut être évacuée par la paroi latérale ou les extrémités, selon les surfaces reliées au système de refroidissement. Dans un modèle validé de la cellule LG M50T 21700, Li et ses collègues ont constaté qu’une collecte répartie réduisait la production de chaleur et les écarts de température internes. Dans les simulations de décharge à 3C de l’étude, une languette continue associée à un refroidissement latéral par conduction donnait les meilleurs résultats. Dans ce modèle, refroidir les côtés était plus efficace que refroidir uniquement la base. Li et al. : conception des languettes et refroidissement des cellules cylindriques (2021)

Cellules prismatiques

Les cellules prismatiques possèdent un boîtier rectangulaire rigide. Baazouzi et al. : conception et fabrication des cellules cylindriques (2023) Leur forme permet de disposer les cellules voisines face contre face, en réservant de la place à l’isolation, au maintien mécanique et au dispositif de refroidissement choisi. L’épaisseur des cellules, la position des bornes et l’espace prévu pour la dilatation déterminent l’assemblage final.

Un boîtier commun peut aussi accueillir différentes chimies. Lors de l’annonce des premières cellules fabriquées à Salzgitter en décembre 2025, PowerCo a présenté sa Unified Cell comme une architecture prismatique standardisée. Les premières cellules utilisaient la chimie NMC, avec une version LFP prévue ensuite. La première version NMC et la version LFP annoncée illustrent la possibilité d’utiliser différents matériaux d’électrode dans une architecture physique commune. PowerCo : premières cellules de Salzgitter et architecture Unified Cell (2025)

La place des cellules BYD Blade

La conception Blade de BYD est une cellule prismatique longue et étroite, classée dans cette famille par l’étude du Fraunhofer ISI sur les formats de cellules. Fraunhofer ISI : formats des cellules lithium-ion (2022) Dans la brochure SEAL de 2024, BYD décrit un ensemble de cellules fines et allongées utilisant du LFP comme matériau de cathode. BYD Irlande : brochure SEAL MY2024, Blade Battery

« Blade » désigne la conception de BYD et LFP le matériau de cathode. Cell-to-pack et cell-to-body décrivent la façon dont les cellules sont intégrées à la batterie ou à la structure du véhicule.

Cellules en poche

Une cellule en poche enferme l’assemblage d’électrodes dans un film multicouche comportant une couche barrière en aluminium et des couches de polymère. Département de l'Énergie des États-Unis : rapport sur la fabrication durable et l'économie circulaire (2023) En l’absence de boîtier rigide, elle dépend davantage de l’assemblage environnant pour son maintien et sa protection mécaniques. Fraunhofer ISI : formats des cellules lithium-ion (2022) Ses bords scellés et ses connexions occupent également de l’espace autour de l’assemblage d’électrodes. LG Energy Solution : assemblage des cellules pouch (2023)

LG Energy Solution décrit un procédé d’assemblage dans lequel des unités d’électrodes laminées sont empilées, les connexions soudées, puis l’ensemble inséré dans une poche mise en forme. La cellule est remplie d’électrolyte et scellée. Une poche de gaz temporaire accueille le gaz produit pendant la formation ; ce gaz est retiré avant le scellement final. LG Energy Solution : assemblage des cellules pouch (2023)

Maintien, gonflement et pression

Après l’évacuation du gaz de formation, l’épaisseur de la cellule continue de varier en fonctionnement. Le volume des électrodes change pendant la charge et la décharge. Certaines variations d’épaisseur sont réversibles avec l’état de charge, tandis que le vieillissement peut provoquer une expansion permanente. La structure environnante doit permettre ces variations tout en maintenant le contact prévu entre les couches et les surfaces de refroidissement.

Une compression externe permet de contrôler ce contact. La pression nécessaire et son évolution lorsque la cellule se dilate dépendent de la cellule et de son installation. Une pression plus élevée n’est pas automatiquement préférable. Lors d’essais sur des cellules en poche commerciales NMC622/graphite de 60 Ah, Michelini et ses collègues ont constaté que la précharge mécanique la plus élevée testée entraînait moins d’épaississement permanent, mais une perte de capacité plus rapide. Ces résultats justifient de définir et valider une plage de pression pour la cellule considérée, plutôt que d’imposer une même compression à toutes les cellules en poche. Michelini et al. : gonflement des cellules pouch sous différentes précharges mécaniques (2023)

Refroidir une cellule plate

Les grandes faces d’une cellule en poche offrent une surface de contact importante pour le refroidissement. La chaleur se propage toutefois différemment le long des couches d’électrodes et à travers celles-ci. Sur une cellule en poche LFP commerciale de 20 Ah entièrement chargée, Lin et ses collègues ont mesuré une conductivité thermique d’environ 26,6 W/(m·K) le long des couches et de 0,52 W/(m·K) à travers l’empilage, soit un rapport d’environ 50. Cette dépendance à la direction explique pourquoi l’épaisseur de la cellule, la surface de contact et l’emplacement des surfaces refroidies comptent. Lin et al. : conductivité thermique directionnelle des cellules pouch (2022)

Le refroidissement par les languettes offre un autre trajet thermique. Lors d’essais sur des cellules en poche NMC de 5 Ah, Hunt et ses collègues ont constaté que le refroidissement par les faces créait des écarts de température entre les couches d’électrodes, entraînant une répartition inégale du courant. Pendant le cyclage avec décharge à 6C et charge à 2C, la cellule refroidie par les faces perdait plus rapidement de la capacité utilisable sous charge que celle refroidie par les languettes, alors que leurs capacités mesurées à faible régime diminuaient de façon similaire. Chaque série d’essais utilisait une cellule par dispositif de refroidissement ; deux séries sur des cycleurs de batterie différents ont donné des résultats comparables. Hunt et al. : refroidissement des cellules pouch par les surfaces et les languettes (2016) Les circuits de liquide de refroidissement et la régulation de température du véhicule sont abordés dans Gestion thermique de la batterie.

Que change l’augmentation de la taille des cellules ?

Une cellule plus grande peut stocker davantage d’énergie et réduire le nombre de cellules nécessaires pour une capacité de batterie donnée. Elle modifie aussi la collecte du courant, les flux de chaleur et le nombre de connexions externes.

Davantage d’énergie par cellule et densité énergétique

En septembre 2024, Panasonic indiquait que sa cellule 4680 avait cinq fois la capacité de sa cellule 2170. Panasonic Energy : développement de la 4680 et comparaison des capacités (2024) À partir des dimensions nominales ci-dessus, EVKX calcule un rapport de volumes cylindriques de (46² × 80) / (21² × 70), soit environ 5,5. L’augmentation de capacité s’accompagne donc d’une forte augmentation de la taille de la cellule.

L’annonce du BMW iX5 de juin 2026 fournit un autre exemple : des cellules de 46 mm de diamètre et 120 mm de hauteur, utilisant la même chimie que les cellules de 95 mm de hauteur de l’iX3. BMW attribuait à cette hauteur supplémentaire un gain de près de 30% d’énergie utilisable par cellule. BMW : annonce de l'iX5 et dimensions des cellules cylindriques (2026) À diamètre égal, le volume nominal augmente selon le rapport 120 / 95, soit environ 26%.

Comparer la densité énergétique nécessite de mesurer l’énergie sur une même base, puis de la diviser par le volume réel ou la masse de la cellule. Les calculs de volume nominal ci-dessus mettent en perspective les annonces de capacité par cellule.

Connexions et surveillance des tensions

Réduire le nombre de cellules peut diminuer le nombre de connexions externes. Les besoins de surveillance des tensions dépendent toutefois du montage électrique. Des cellules directement reliées en parallèle partagent la même tension ; le système de gestion de batterie mesure donc normalement ce groupe parallèle comme une position dans la chaîne série.

Remplacer plusieurs petites cellules en parallèle par une cellule plus grande peut ainsi réduire le nombre physique de cellules sans réduire le nombre de tensions surveillées. Dans une réponse sur le forum d’assistance TI E2E, l’ingénieur de Texas Instruments Matt Sunna explique que le circuit de surveillance traite les cellules directement reliées en parallèle comme une cellule plus grande. Réponse sur le forum d'assistance TI E2E : surveillance des groupes de cellules en parallèle Le positionnement des capteurs de température relève d’un choix de conception distinct.

Trajets électriques, thermiques et ioniques

Augmenter les dimensions d’une cellule peut allonger les trajets le long de ses feuilles collectrices ou entre son intérieur et une surface de refroidissement. La position des languettes et la géométrie du refroidissement agissent sur ces trajets électriques et thermiques.

Le transport des ions lithium s’effectue localement dans les pores remplis d’électrolyte et le séparateur, ainsi qu’à l’intérieur des particules de matériau actif. Une cellule plus haute ou plus large n’allonge pas, à elle seule, ces trajets. Ils sont régis par l’épaisseur du revêtement des électrodes, la structure des pores et la taille des particules. Un boîtier plus grand et un revêtement plus épais sont deux choix distincts ; Chimie et composants des cellules explique les compromis liés aux électrodes.

Protection au niveau de la cellule

Les boîtiers rigides cylindriques et prismatiques peuvent intégrer des évents de décompression. Certaines cellules cylindriques comportent aussi un dispositif d’interruption du courant (CID) actionné par la pression, qui coupe le circuit électrique, et un élément à coefficient de température positif (PTC), dont la résistance augmente lorsqu’il chauffe. Les cellules en poche peuvent évacuer du gaz par une soudure de leur enveloppe thermoscellée. Une étude présentée à l’atelier de la NASA sur les batteries de 2021 décrit ces mécanismes et teste des cellules cylindriques sans éléments PTC, ce qui montre pourquoi il faut vérifier les dispositifs présents dans chaque conception de cellule. Chung et al., atelier NASA sur les batteries : dispositifs de sécurité des cellules (2021)

Comparaison des trois formats

Pack batterie et configuration explique comment les cellules sont reliées, refroidies et maintenues dans une batterie de véhicule ; Sécurité de la batterie traite du confinement des défaillances.