Comment se dégrade une batterie lithium (NMC ou LFP) au cours du temps ?
Plan de l'article :
Au delà des cycles de charges / décharges, la batterie se dégrade toute seule au fil du temps, et cela quelque soit le type de chimie.
Nous allons ici nous concentrer sur le vieillissement de la batterie hors utilisation, à savoir comment la batterie se dégrade toute seule dans le temps. Si vous souhaitez voir les processus de vieillissement dans la batterie en prenant en compte d'autres facteurs il faut consulter cet autre article.
A lire : comment préserver au mieux sa batterie dans le temps
Quel durée de vie espérer ?
Contrairement aux idées reçues et à ce que nous laissent penser nos ordinateurs et smartphones, une batterie lithium-ion peut durer bien au delà de 4 ans. Même mieux, une batterie perd généralement petit à petit ses capacités sur une durée très longue qui se compte en décennies.
Point de repère ?
Il faut aussi définir ce qu'est une batterie qu'on considère comme non fonctionnelle, et pour prendre un premier repères il faut savoir que les garanties placent la barre à 70% de capacités. A savoir quand on a perdu 30% de capacités totale on considère la batterie comme étant à remplacer. Bien évidemment, une batterie dont il reste 50% de capacités peut encore très bien fonctionner, mais le seuil arbitraire de la garantie est à 70% dans la grande majorité des cas. La dégradation de la batterie se produit que vous l'utilisiez ou pas, et donc la dégradation dépend surtout du temps qui passe, au delà des cycles charges/décharges.
Sachant que les garanties sont généralement de 8 ans et 160 000 km, on peut facilement déduire que les marques estiment que les batteries seront au delà de 70% de capacités totale après 8 ans d'âge, ce qui est plutôt rassurant.
Il faut toutefois intégrer que la vitesse de dégradation sera plus ou moins lente, car cette dernière est liée à tout un tas de variables que nous précisons dans le chapitre suivant. Une auto qui a par exemple une gestion thermique limitée par un refroidissement par air pourra voir sa dégradation être près de deux fois plus rapide. Geotab nous compare par exemple un Leaf et une Model S, avec en moyenne une perte de 2.3% par an pour la tesla et 4.2% pour la Nissan. Il faut donc ici 15 ans pour la Model S pour atteindre le seuil des 70% de capacités restantes, une valeur qui reste encore tout à fait acceptable pour une utilisation ancore viable du véhicule.
Vitesse de dégradation
La dégradation est accentuée aux extrémités "existentielles" , à savoir que c'est au début et à la fin qu'on subit le plus de perte, à savoir la première année et à partir de 15/20 ans.
Puisque les Tesla font partie des voitures électriques les plus anciennes, beaucoup d'études s'appuient sur les modèles de la marque américaine.
Une dégradation plus ou moins lente ?
Selon le type de chimie, le niveau de charge / le type de charge (petites recharges ou grosses recharges), la taille du tampon et la gestion thermique la batterie va se dégrader plus ou moins vite. La chimie LFP sera plus endurante comparée à une NMC ou même NCA, tout comme la batterie vieillira d'autant plus vite que vous la chargez haut. Voici donc deux graphiques qui vous permettront d'y voir plus clair, et selon qu'on charge à 50 ou 100% cela peut accélérer la vitesse de dégradation d'un facteur deux (à savoir que ça se dégrade presque deux fois plus vite avec une charge à 100%).
Dégradation chimie NMC
Source Eduardo Redondo Iglesias
Dégradation chimie LFP
Le déséquilibre entre l'anode et la cathode joue un rôle significatif dans la dégradation des batteries lithium-ion lorsqu'elles sont chargées à 100% (qui accroit donc le déséquilibre puisque le voltage entre anode et cathode augmente d'autant plus selon le niveau de charge, et c'est d'ailleurs grâce à ce voltage que le BMS peut avoir des repères sur le niveau de charge)
Voici un résumé des points clés :
- Déséquilibre Électrochimique : Lorsqu'une batterie est chargée à 100%, il y a un transfert maximal d'ions lithium de la cathode vers l'anode, créant une situation de forte tension et de déséquilibre électrochimique. Cela peut entraîner une croissance excessive de la couche SEI sur l'anode et des risques de formation de dendrites de lithium, notamment à haute tension.
- Dégradation de l'Électrolyte et des Électrodes : La charge à pleine capacité augmente les réactions indésirables, comme l'oxydation de l'électrolyte, qui produit des sous-produits dégradant encore plus les électrodes. Dans les cathodes NMC, par exemple, la structure cristalline peut se déstabiliser, entraînant une perte de capacité.
- Stress Mécanique : Les expansions et contractions volumétriques des électrodes à pleine charge peuvent provoquer des fissures et augmenter la résistance interne de la batterie.
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