Le vieillissement et la dégradation des batteries au lithium

VOITURE éLECTRIQUE  

BATTERIE ET RECHARGE (VE)  

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 ni même sa durée de vie, d'autres articles y sont dédiés, mais plutôt de décrire les principaux phénomènes et mécanismes qui dégradent les batteries au lithium de nos voitures électriques.

Récapitulatif des variables qui favorisent le vieillissement

Avant de voir comment la batterie se dégrade précisément au niveau de sa chimie, faisons un petit résumé des variables qui favorisent le vieillissement et la perte d'autonomie/capacités :

• Densité énergétique : plus une batterie est dense et compacte plus elle s'usera vite. La chaleur est en effet plus concentrée, et c'est notamment pour cela que les batteries LFP vieillissent mieux que les NMC (phénomène identique entre deux batteries NMC plus ou moins denses)
• Temps qui passe : même sans l'utiliser la batterie vieillit et perd de ses capacités
• Chaleur : la chaleur dégrade la chimie interne, et cela commence à devenir perceptible à partir de 60 degrés
  
• Intensité de charge : plus vous chargez rapidement plus vous échauffez les cellules
• Profondeur de décharge : plus vous utilisez de petites portions de batterie entre deux recharges mieux elle se portera et vieillira
• Niveau de charge : rester entre 20 et 80% de batterie permet de garder un équilibre chimique interne qui favorise la pérennité dans le temps. Le pire étant de rester chargé à 100% (les décharges profondes sont moins impactantes)
• Nombre de cycles charges / décharges
  

 

A lire :

• Quelle est la durée de vie des batteries de voitures électriques (en âge et kilométrage)
• Comment préserver la batterie d'une voiture électrique

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 :

Capacité de batterie réduite (anodes et cathodes altérées)

Nombreuses recharges (épaississement 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. L'apparition de dendrites est aussi fréquente lors des surcharges, et ces dernières peuvent venir percer la paroi séparatrice.

Voici une dendrite perforante

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) si il fait trop froid.
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.

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