Densité énergétique par type/chimie de batterie lithium-ion

Dernière modification : 03/11/2025 -  0

Les batteries lithium-ion sont bien évidemment au centre de la révolution des voitures électriques. Elles se distinguent par leur densité énergétique, qui est une mesure clé de leur performance (capacité à stocker de l'énergie mais aussi de réchauffer / refroidir rapidement le pack batterie pour le préconditionnement ou encore le gestion thermique en conduite sportive). La densité énergétique se décline en deux formes principales : la densité massique (Wh/kg) et la densité volumique (Wh/m³). La densité massique indique l'énergie stockée par unité de masse, tandis que la densité volumique mesure l'énergie stockée par unité de volume.

Vous verrez aussi que tout ne dépend pas forcément de la chimie adoptée, mais aussi de la structure interne ...

De quelle densité parle-t-on ?

La mesure en Wh/kg prend en compte l'énergie totale stockée par kilogramme de la cellule de batterie entière. Cela inclut la chimie interne (électrodes, électrolyte) ainsi que le packaging immédiat de la cellule, c'est-à-dire l'enveloppe qui contient les matériaux actifs. La densité énergétique en Wh/kg ne prend généralement pas en compte l'ensemble du pack de batterie qui inclut des éléments supplémentaires comme le boîtier de protection, les systèmes de gestion thermique (refroidissement ou chauffage), les circuits de contrôle et de sécurité, les supports structurels, et les connexions électriques entre les cellules.

Attention, les densités exposées peuvent varier de 10 à 30% pour certaines des chimies, ce qui est le cas par exemple avec les différentes normes qui induisent des concentrations différentes au niveau des métaux (ex : NMC111, NMC622 etc.).

Intégrons maintenant les batteries les nouvelles batteriessemi-solides et  solides

Distinction entre densité massique et densité volumique

• Densité Massique (Wh/kg) : Indique la quantité d'énergie stockée par kilogramme de batterie. Une densité massique élevée est essentielle pour des applications où le poids est un facteur critique, comme les véhicules électriques et les appareils portables.
• Densité Volumique (Wh/m³) : Mesure l'énergie stockée par unité de volume. Une densité volumique élevée est importante pour des applications où l'espace est limité, comme les systèmes de stockage d'énergie stationnaires et les dispositifs électroniques compacts.

Batterie au Plomb-Acide (Lead Acid)

• Densité énergétique massique : 40 Wh/kg
• Composition chimique : Plomb (Pb), dioxyde de plomb (PbO2), acide sulfurique (H2SO4)
• Utilisation : Principalement dans les applications où le poids n'est pas un facteur critique, comme les systèmes de stockage d'énergie stationnaires.

Nickel-Cadmium (NiCd)

• Densité énergétique massique : 60 Wh/kg
• Composition chimique : Nickel (Ni), cadmium (Cd)
• Utilisation : Applications industrielles et équipements de secours en raison de leur robustesse et de leur longue durée de vie.

Nickel-Métal Hydrure (NiMH)

• Densité énergétique massique : 90 Wh/kg
• Composition chimique : Nickel (Ni), hydrogène (H) sous forme d'hydrures métalliques
• Utilisation : Hybrides légers et certains appareils électroniques.

Lithium-Titanate (LTO)

• Densité énergétique massique : 80 Wh/kg
• Composition chimique : Lithium (Li), titane (Ti), oxygène (O)
• Utilisation : Applications nécessitant une charge rapide et une longue durée de vie, telles que les bus électriques et les systèmes de stockage d'énergie.

Lithium Fer Phosphate (LFP)

• Densité énergétique massique : 160 Wh/kg
• Composition chimique : Lithium (Li), fer (Fe), phosphate (PO4)
• Utilisation : Véhicules électriques, systèmes de stockage d'énergie stationnaires, en raison de leur sécurité et de leur longévité.

Lithium-Manganèse Oxyde (LMO)

• Densité énergétique massique : 150 Wh/kg
• Composition chimique : Lithium (Li), manganèse (Mn), oxygène (O)
• Utilisation : Véhicules électriques et appareils portables en raison de leur coût relativement bas et de leur sécurité.

Lithium Sodium-Ion (Li-Na)

• Densité énergétique massique : 150 Wh/kg
• Composition chimique : Sodium (Na), oxyde de métal (variés selon les configurations)
• Utilisation : Alternatives potentielles aux batteries lithium pour des applications où le coût et la disponibilité des matériaux sont critiques.

Nickel-Manganèse-Cobalt (NMC)

• Densité énergétique massique : 230 Wh/kg avec des différences selon la norme : 111, 622 ou encore 811 pour ne citer qu'elles
• Composition chimique : Lithium (Li), nickel (Ni), manganèse (Mn), cobalt (Co)
• Utilisation : Véhicules électriques et systèmes de stockage d'énergie pour leur balance entre coût, sécurité et densité énergétique.

Lithium Cobalt Oxyde (LCO)

• Densité énergétique massique : 200 Wh/kg
• Composition chimique : Lithium (Li), cobalt (Co), oxygène (O)
• Utilisation : Appareils électroniques portables comme les smartphones et les ordinateurs portables en raison de leur haute densité énergétique.

Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA)

• Densité énergétique massique : 250 Wh/kg
• Composition chimique : Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), aluminium (Al)
• Utilisation : Véhicules électriques haut de gamme et applications nécessitant une densité énergétique très élevée.

Nickel-Cobalt-Manganèse-Aluminium (NCMA)

• Densité énergétique massique : environ 300 Wh/kg
• Composition chimique : Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), manganèse (Mn), aluminium (Al)
• Utilisation : Développement récent visant à améliorer les performances des batteries NMC et NCA. Le manganèse apporte une meilleure stabilité thermique tandis que l’aluminium améliore la longévité. Utilisé sur certains véhicules électriques de nouvelle génération.

Autre variables liées à la densité énergétique

Batteries sans anode (anode-free)

Principe : pas d'anode graphite à la fabrication. Côté négatif, on ne conserve qu'un collecteur de courant en cuivre. Lors de la première charge, le lithium quitte la cathode et se dépose directement sur ce cuivre pour former une anode de lithium métallique in situ. La batterie a bien une anode, mais elle est créée à la demande.

• Densité énergétique massique (prototypes) : typiquement 350 à 500 Wh/kg en laboratoire, avec des annonces d'amélioration de +20 à +25% par rapport aux cellules Li-ion équivalentes de même volume.
• Gains structurels : suppression du graphite et des liants côté anode, libérant environ 10 à 15% de volume interne et réduisant la masse de la cellule.
• Rendement coulombique initial : > 99,5% sur la phase de formation quand la chimie est optimisée, mais la stabilité de la SEI reste déterminante dans le temps.
• Durée de vie actuelle : le plus souvent 150 à 200 cycles complets avant dégradation marquée; meilleurs résultats rapportés en conditions labo jusqu'à ~400 cycles.
• Charge rapide : au-delà de 1 à 2 C, la formation de dépôts hétérogènes s'accentue, ce qui limite aujourd'hui les profils de charge agressifs.
• Risques techniques : croissance de dendrites (filaments de lithium) capables de percer le séparateur; forte sensibilité à la formulation d'électrolyte et à la température de formation (souvent 25 à 45 °C).
• Statut : technologie encore expérimentale; ciblage automobile à moyen terme si la stabilité est maîtrisée.

Note : le terme « sans anode » décrit l'absence d'anode hôte au moment de la fabrication. Il ne s'agit pas d'une batterie à une seule électrode. Le concept est compatible avec différents formats de cellules (pouch, prismatique, cylindrique). Les formats type « 4680 » ne sont qu'un gabarit industriel, pas une chimie en soi.

Batteries Solides (Solid-State)

• Densité énergétique massique : 750 Wh/kg
• Composition chimique : Variée, souvent impliquant des électrolytes solides et des matériaux d'anode/cathode métalliques.
• Utilisation : Prototypes et applications futures en raison de leur densité énergétique extrêmement élevée et de leur sécurité améliorée.

Batteries sodium-ion (Na-ion)

Les batteries sodium-ion représentent une alternative crédible au lithium, notamment pour les applications où le coût et la disponibilité des matériaux priment sur la densité énergétique. Le sodium (Na), plus abondant et moins cher que le lithium, permet de réduire fortement la dépendance aux métaux critiques. La chimie est proche des cellules lithium-ion, mais le diamètre ionique supérieur du sodium impose des matériaux d'électrode et d'électrolyte spécifiques.

• Densité énergétique massique : entre 100 et 160 Wh/kg selon la cathode employée (généralement du Prussian blue ou des oxydes de fer et de manganèse).
• Durée de vie : supérieure à 2 000 cycles dans les prototypes récents, avec une stabilité thermique nettement meilleure que celle des cellules lithium-ion.
• Température de fonctionnement : efficace jusqu'à -20 °C, ce qui en fait une technologie intéressante pour les climats froids.
• Avantages : coût matière première jusqu'à 30 % inférieur à celui du lithium-ion, recyclabilité simplifiée, sécurité accrue (risque d'emballement thermique plus faible).
• Limites : densité énergétique encore trop modeste pour les véhicules à longue autonomie, mais suffisante pour les citadines, les bus électriques et le stockage stationnaire.

En somme, les batteries sodium-ion se positionnent comme une solution de transition : moins performantes en densité, mais plus durables, économiques et adaptées à une production de masse sans dépendance au lithium. Plusieurs constructeurs asiatiques prévoient déjà leur industrialisation à court terme pour les véhicules électriques d’entrée de gamme.

Influence du format de cellule sur la densité énergétique

Au-delà de la chimie interne, le format physique de la cellule joue un rôle important sur la densité énergétique réelle. Trois grands types dominent aujourd'hui : les cellules cylindriques, poche (pouch) et prismatiques. Chacun présente des compromis entre compacité, dissipation thermique et coût de production.

• Cylindrique : format historique (ex. 18650, 2170, 4680). Il offre une excellente résistance mécanique et un bon contrôle thermique. Les dernières générations atteignent jusqu'à 300 à 350 Wh/kg selon la chimie. Leur structure enroulée assure une grande longévité, mais le volume perdu entre les cellules réduit la densité volumique globale du pack.
• Poche (pouch) : cellules souples et légères, sans boîtier rigide. Elles maximisent l'espace utile avec un rendement volumique supérieur de 10 à 15 % aux cylindriques. En revanche, leur tenue mécanique impose des renforts structurels dans le pack.
• Prismatique : boîtier métallique rectangulaire, souvent utilisé sur les véhicules récents. Très bonne densité volumique et intégration simplifiée dans les modules. Toutefois, la gestion thermique est plus complexe, et leur poids structurel est légèrement supérieur à celui des cellules pouch.

En pratique, la densité massique d'une cellule donnée dépend autant de la chimie utilisée que de son architecture interne. Une cellule prismatique NMC pourra offrir plus de Wh/L mais pas forcément plus de Wh/kg qu'une cylindrique de même chimie. C'est le design global du pack qui fixe l'équilibre entre puissance, masse et volume.

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