Electrique > Le vieillissement et la dégradation des batteries au lithium 13/11/2021

Le vieillissement et la dégradation des batteries au lithium


C'est une des premières préoccupations des possesseurs de voitures électriques, à savoir comment se dégrade et comment vieillit une batterie au lithium ? La valeur de ces dernières étant si importante qu'il est judicieux de la préserver le plus longtemps possible.
Mais ici n'est pas la question de savoir comment préserver sa batterie, un autre article en parle, mais plutôt de décrire les principaux phénomènes qui dégradent les batteries au lithium.

A lire : quelle est la durée de vie des batteries de voitures électriques

Débutons donc cette liste exhaustive avec en préambule une illustration qui résume toutes les anomalies et problèmes qui peuvent survenir avec le temps sur une batterie lithium (plus d'explications après) :



De plus près (anode) :



Cathode :


Anodes et cathodes réduites

Comme on le voit sur le schéma du haut, certaines fissurations peuvent mener à des morceaux de cathode ou anode qui sont isolées du reste de la batterie, on perd alors un "bout de la batterie", et donc d'une partie de ses réserves (Ah) ...

Epaississement des couches SEI

Ces couches (Solid Electrolyte Interphase) se forment naturellement lors des recharges (surtout la toute première, prenant de 5 à 10% du lithium contenu dans la batterie !) autour des anodes et cathodes. Il s'agit d'un mélange composite entre le lithium ion et l'électrolyte, le tout durcissant et collant à l'anode. Elles ont un rôle crucial puisqu'elles bloquent le passage des électrons. Elles empêchent donc qu'il y ait oxydation (et donc génération de courant) quand on n'utilise pas la batterie. Ca force donc les électrons à passer par les cosses de la batterie afin d'en tirer du courant.
Le problème est qu'avec le temps ces dernières peuvent s'épaissir (au niveau de l'anode principalement), ce qui consomme du lithium (elles en sont composées en partie) tout en induisant plus de difficultés aux ions lithium de la traverser ...


Corrosion des collecteurs

Destinés à envoyer les électrons en dehors de la batterie pour qu'on les exploite, les collecteurs sont faits de métaux qui peuvent  se corroder avec le temps. Cela réduit leurs propriétés électriques et la batterie perd alors de ses capacités.

Surcharge


Normalement impossible en raison de la surveillance par le BMS (à moins qu'il ne défaille ...), la surcharge d'une batterie va induire un gonflement anormal de l'anode (-) qui peut alors venir toucher la cathode, ce qui produit un court-circuit et la possible explosion de la batterie (génération de gaz à l'intérieur, puis explosion par surpression, exactement comme un pétard à poudre).
Malgré le séparateur qui évite cela, si l'anode devient trop grosse elle peut finir par déchirer / crever la cloison et venir toucher l'autre pôle.

Décharge profonde

Les décharges profondes induisent en premier lieu un risque d'incendie lors de la recharge, certains BMS coupent alors tout par sécurité (impossibilité de recharger).
Cela pourra aussi favoriser la corrosion du collecteur mais aussi l'impédance de l'anode, ce qui a comme conséquence de provoquer de petites surcharges qui vont favoriser la couche SEI qui ne doit pas non plus devenir trop épaisse.

Nombreux cycles recharges / décharges

On a beau parler de d'accumulateur réversible, contrairement à une pile qui ne vit qu'une seule fois, cette réversibilité n'est en réalité qu'un concept utopique et idéal.
La réalité fait que les choses ne reviennent jamais parfaitement comme avant, tout simplement parce que les matériaux travaillent (oxydations et réductions) et donc ils s'usent ...
Par usure on va surtout parler de déformation des anodes et cathodes, qui ne pourront alors plus accueillir autant d'atomes de lithium à l'avenir (un peu comme des étagère déformées et plus parfaitement carrées, je ne pourrait plus y ranger autant de bouquins). Les couches de graphite ne reprennent donc pas leur forme plate originelle par exemple.


Chaleur

Comme vous le savez la chaleur dilate des matériaux ... La chaleur peut provenir du milieu extérieur mais ce sera surtout lié à l'effet Joule (chauffe liée à l'intensité du courant) qui peut être bien plus puissant.
On a donc ici un risque de déformation des anodes et cathodes qui ne fonctionneront alors plus de manière optimale : elles n'auront plus la même capacité d'accueil en ce qui concernent les atomes lithium qui doivent s'y loger comme on l'a expliqué dans le paragraphe précédent.
Mais les risques ne se limitent pas à ça, on pourra aussi parler de bouillonnement de l'électrolyte (= surpression et risque d'explosion), de fracturations des couches SEI, du dessèchement de l'électrolyte ou encore de l'emballement du cobalt (quand il devient très chaud il déclenche une sorte de réaction en chaîne destructrice).

Les Zoe ou Leaf, pour ne citer qu'elles, n'ont pas de refroidissement actif et les grosses cellule favorisent la chauffe. Résultat, les batteries perdent beaucoup de leurs capacités avec le temps.


Les supercharges de plus de 50 kW favorisent l'effet Joue et la chaleur, tout comme solliciter beaucoup le moteur ou encore la régénération (qui est limitée batterie froide).

Séparateur : colmatage

Le séparateur destiné à guider au mieux les ions lithium vers l'autre côté, qui permet de filtrer les électrons mais aussi de limiter les risques de court-circuit entre + et -, a tendance à s'encrasser avec le temps. En effet, ses pores finissent petit à petit par se boucher. Cela pénalise donc la répartition et l'ordonnancement des ions qui le traversent, avec donc des réductions qui perdent en homogénéité.
Et à force on peut même finir par avoir une membrane totalement imperméable, ce qui donne lieu à une batterie totalement inopérante.






Tous les commentaires et réactions


Dernier commentaire posté :


Par John Doe (Date : 2021-11-17 14:13:08)

Finalement, le grand défi de demain ne sera pas les batteries mais leur recyclage quand invariablement elles tomberont en panne et/ou seront envoyées à la décharge...

Pour les électriques "pionnières" (tesla S, leaf, zoé, etc.) il y a t'il des retours sur la fin de vie moyenne (en terme de kilométrage ou d'années)?

Il y a 2 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-11-17 15:30:34) : Je n'ai pas encore bien investi le sujet et donc je préfère le préciser, ma parole se fiabilisera avec les investigations à venir.

    Toutefois, on fait toute une histoire du recyclage mais finalement il ne s'agit que de récupérer les métaux à l'intérieur, côté cathode, anode et électrolyte. Rien de très sorcier ni d'impossible.
    On broie le tout et on récupère les différents métaux comme on le fait pour plein d'autres usages (quand la matière arrive d'une mine ou carrière le problème est le même). Certes ça nécessite de l'énergie .. Mais toutes les sortes de recyclages en nécessitent.

    La seule complexité concernerait les batteries qui ont encore des capacités (en gros la majorité, rares sont les batteries 100% à plat), on ne peut pas les broyer sans risque et il faut alors le faire dans de l'azote pour stériliser la chimie interne.

    Quand on y pense, tout ces discours sur le recyclage semble presque venir du lobby pétrolier tellement ça a été diabolisé. J'ai aussi été berné pour ma part.
  • Par taurus TOP CONTRIBUTEUR (2021-11-19 09:05:28) : Le recyclage sera pas un problème car il y a beaucoup a récupérer, il existe déjà des usine pour cela.

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