Mobilité électrique : où sont les cellules 21700 ?

Pourquoi les grands noms de la mobilité électrique utilisent-ils majoritairement des cellules lithium-ion au format 18650 alors qu’il existe des alternatives comme le 21700, censées proposer une meilleure densité énergétique et volumique ? Si l’on regarde le marché des gyroroues et des trottinettes électriques, Gotway fait aujourd’hui figure de précurseur en intégrant à titre expérimental des cellules 21700 à ses dernières roues. Le format est pourtant déjà largement répandu sur le marché. Les bricoleurs qui assemblent eux-mêmes leurs batteries ne se privent d’ailleurs pas de travailler sur des packs en 21700. Alors quels sont vraiment les atouts de ce format et pourquoi ne perce-t-il pas plus vite ?

18650 contre 21700 : les différences

Ces deux valeurs ne renvoient pas à une quelconque capacité en mAh comme on le lit parfois : elles désignent tout simplement les dimensions de l’accumulateur lithium-ion. Une cellule 18650 fait ainsi 18 mm de diamètre sur 65 mm de haut, alors qu’une cellule 21700 fait 21 mm de diamètre et 70 mm de haut. Il existe d’ailleurs d’autres dimensions (20700, 26650), mais le 18650 et le 21700 sont pour l’instant les formats qui rallient l’essentiel des industriels du secteur.

Le premier est aujourd’hui considéré comme un standard dans des domaines très divers parmi lesquels le monde de la vape (cigarette électronique), la voiture électrique et bien sûr la mobilité personnelle. Le 21700 est quant à lui nettement plus récent, avec une production de masse qui débute à grande échelle aux alentours de 2017, notamment suite à la décision de Tesla d’adopter ce format pour sa Model 3.

Quels sont les atouts du format 21700 comparé au 18650 ? Chaque cellule offre un volume unitaire plus important, ce qui signifie que l’on peut y intégrer une plus grande quantité d’éléments actifs pour augmenter la capacité de stockage. Chez Tesla par exemple, les cellules 18650 employées sur la Model S proposent une capacité de 3 Ah, alors que les 21700 de la Model 3 montent à 4,8 Ah. Cette augmentation ne se fait cependant pas gratuitement : la cellule prend du poids. La 21700 pèse ainsi 70 grammes, là où la 18650 n’accuse que 45 grammes sur la balance. De ce fait, la densité énergétique n’évolue que dans de faibles proportions : on arrive à 247 Wh/kg avec la 21700 contre 240 Wh/kg avec le format 18650. Côté volume, l’augmentation est elle aussi d’environ 50% puisque l’on passe de 16540 mm3 à 24245 mm3.

En simplifiant un peu rapidement sur la base de cet unique exemple, on peut conclure que le format 21700 permet d’avoir environ 50% de capacité en plus, au prix d’un poids et d’un encombrement 50% supérieurs. En admettant que la chimie soit identique entre les deux générations de cellules Tesla, le gain ne viendrait finalement que de la réduction de l’empreinte des composants inactifs comme l’enveloppe extérieure dans le calcul total de la densité énergétique. Bref, pas de quoi supplanter un standard déjà bien établi ?

Lithium-ion 21700 : une intégration facilitée

Si les choses ne changent que légèrement du point de vue de la densité, le passage au 21700 offre tout de même un avantage non négligeable : il faut un nombre de cellules moins importants pour atteindre une capacité donnée, et il est possible de travailler sur des agencements différents pour optimiser l’occupation de l’espace ou la répartition des masses. C’est typiquement ce que montre l’exemple de Gotway avec sa roue Nikolaï passée en cellules 21700 : d’après le britannique Afeez Kay, qui dispose de l’un des premiers modèles du genre, la réduction du nombre de cellules permet de mieux centrer les deux packs de batterie à l’intérieur de la roue, ce qui contribue à améliorer son équilibre et l’agrément du pilote. Réduire le nombre de cellules, c’est aussi réduire le nombre de liaisons externes et de soudures pour connecter chaque élément du circuit, ce qui contribue à alléger (légèrement) l’ensemble et simplifier l’assemblage. Ici, on comprend bien pourquoi le 21700 intéresse les modders qui construisent eux-mêmes leurs batteries.

21700 contre 18650 : les propriétés électriques

Reste à savoir si à caractéristiques égales, les cellules 21700 partagent les mêmes propriétés électriques que les cellules 18650. Il circule par exemple un certain nombre d’idées reçues selon lesquelles les cellules 21700 seraient sujettes à une résistance interne plus élevée, ce qui se traduirait par une puissance moins élevée en sortie à intensité de courant égale. Serait-ce pour cette raison que le 21700 n’est pas plus largement démocratisé ?

La comparaison devient ici nettement plus complexe puisqu’il faut désormais vérifier l’ensemble des paramètres de fonctionnement d’une cellule lithium-ion : sa densité énergétique bien sûr, mais aussi son courant de décharge (le débit maximal d’énergie qu’elle peut fournir), sa stabilité, sa capacité de recharge. Or la construction d’une cellule 21700 ne se limite pas à transposer la chimie d’une 18650 dans une enveloppe un peu plus volumineuse : la taille des électrodes, leur structure et la composition de l’électrolyte demandent des ajustements précis qui vont influencer les performances réelles de la cellule.

Comment dans ce contexte étudier les mérites comparés des deux formats ? Une équipe de chercheurs s’est penchée sur la question. Elle a partagé ses résultats par le biais d’un article scientifique paru en août 2018 dans le très sérieux Journal of The Electrochemical Society.

Intitulé « Energy Density of Cylindrical Li-Ion Cells: A Comparison of Commercial 18650 to the 21700 Cells », il étudie les différents facteurs qui influencent la densité énergétique d’une cellule en comparant des modèles issus du commerce. Résultat des courses ? L’analyse comparée conclut que les formats 18650 et 21700 offrent des performances similaires. Elle souligne en revanche dans le même temps que l’augmentation de la capacité de stockage renforce les écarts susceptibles d’intervenir en fonction des choix technologiques opérés par le fabricant : il y a finalement accentuation des phénomènes susceptibles d’entraîner une variation. Les cellules 21700 qui travaillent sur des intensités élevées s’échauffent par ailleurs dans des proportions plus importantes, du fait de la réduction de la surface de dissipation et du temps de travail prolongé.

Si l’on en croit cette étude, il n’y a donc aucun obstacle technique à l’utilisation de cellules 21700 dans le monde de la mobilité, dès lors bien sûr que le constructeur prend soin de sélectionner des cellules et un assemblage adaptés aux besoins de son engin, notamment en ce qui concerne le refroidissement. Dans la mesure où la courbe des prix du 21700 se rapproche progressivement de celle du 18650 (à capacité équivalente), il est donc probable que les grands noms de la mobilité électrique finissent par adopter bien plus largement ce nouveau format !

L’étude souligne que le 21700 permet également d’alléger les coûts de production