L'influence du froid et du chaud sur les batteries lithium-ion

VOITURE éLECTRIQUE  

BATTERIE ET RECHARGE (VE)  

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Vous le savez certainement déjà, le chaud et le froid ont une influence non négligeable sur le fonctionnement et le vieillissement des batteries de voitures électriques. Cet article vise à résumer quels sont les effets produits par les écarts thermiques subis par ces accumulateurs au lithium-ion (nous ne traiterons pas les batteries NiMH). Pour ce qui est des chiffres concrets liés à la perte d'autonomie, je vous invite à aller plus bas dans l'article.
Notion de base : une batterie peut être rechargée facilement entre 0 et 50 degrés et peut être utilisée en pleine puissance sur un éventail plus large qui va de -20 à 60 degrés. C'est pour cela qu'à froid on a toute la puissance du moteur mais pas la régénération ni même la charge rapide en courant continu.

A lire aussi : le fonctionnement des batteries lithium (composition, charge et décharge)

Voici aussi quelques repères sur l'influence de la température (associée ici à la vitesse de charge) sur la durée de vie de la batterie :

L'influence du froid sur les batteries de voitures électriques

Comme tout est relatif en matière de température, nous considèrerons comme froid les température inférieures à 10 degrés (le zéro absolu [Kelvin] étant vers les - 273.15 degrés, à ce stade les particules élémentaires ne bougent plus du tout. Car le froid est en réalité un phénomène émanant du mouvement des atomes / particules élémentaires, ni plus ni moins).

Recharge

Plus on charge rapidement (puissance élevée en kW) par rapport à une température basse, plus on a ce que l'on appelle une "déposition de lithium", à savoir l'apparition de courts-circuits au sein des cellules (ainsi que la formation de dendrites). C'est pour cela que les Tesla ont tendance à chauffer (préconditionner) leurs batteries quand on pointe sur le GPS vers un superchargeur, cela permet de mieux préserver la batterie lors de cette opération et donc atteindre des vitesses de charge importantes (dans le cas contraire le BMS bride la chose). Dans les faits cela induit une augmentation de la résistance de la batterie à ses bornes, ce qui est contre-intuitif car en électricité la résistance dans les câbles se réduit d'autant plus que la température ne baisse (avec même de la supraconductivité quand on s'approche du zéro absolu, donc plus aucune résistance !).
Bien évidemment, si la logique est universelle, les résultats seront différents selon la conception des batteries (avec des effets plus ou moins importants selon les autos) et de leur gestion thermique plus ou moins active.
Sachez que la charge est encore plus sensible à la température avec les batteries lithium, et qu'elle ne peut se faire qu'entre 0 et 45°. Pour la décharge la fourchette va de -20 à 60°, c'est pour cela qu'on peut avoir toute la puissance à froid mais une régénération qui reste davantage limitée.
Charger rapidement sous les 0° peut induire une dégradation soudaine et importante de la batterie (de manière définitive), et c'est une des tâches du BMS que de bien contrôler tout ça, en vous empêchant une charge (ou en la limitant drastiquement) si il fait trop froid par exemple.

En fait c'est lié à la dilatation de l'anode (pôle - de la batterie), vers laquelle on envoie les ions lithium lors de la recharge. Contrairement à la cathode (+), l'anode se dilate et se contracte beaucoup plus lors des charges/décharges (jusqu'à 20% de son volume). Le souci est qu'à froid cette dilatation est plus difficile à obtenir en raison du froid qui fiche et "glace" les couches de graphite. Les ions ne trouvent alors plus assez de place pour s'insérer (le graphite ne gonfle pas assez vite) ce qui induit un placage des ions lithium sur l'anode (en surface) au lieu de se faire dans le graphite. A la clé une augmentation de la résistance avec une baisse de la capacité de la batterie et des risques accrus d'incendie.

Notez qu'une recharge à froid d'une batterie très faible peut induire des risques d'explosion, et certains BMS (qui gère la batterie) empêchent parfois la recharge dans ce contexte.

Rendement / autonomie

Quand la température est basse, le rendement de la batterie sera moindre, c'est à dire qu'elle aura des pertes entre les kWh qu'elle a en réserve et ceux qui pourront être dépensés / exploités par le moteur électrique.
Il faut donc bien comprendre que cela n'abîme pas la batterie, c'est juste qu'elle ne pourra pas offrir toutes ses capacités (donc baisse de rendement). Cette perte est liée à des réactions chimiques qui se produisent de manière moins optimale et un accroissement de la résistance des cellules dans ces conditions.
Pour vous donner un ordre de grandeur, on perdra potentiellement 15 à 20% d'autonomie aux alentours de 0 degré, et cela pourra même atteindre -40% si on se situe à - 10 degrés. Il faut comprendre qu'au delà de la perte de rendement de la batterie, le chauffage a aussi une grand incidence (car plus il fait froid, plus il aura d'efforts à faire, une sorte de cercle vicieux qui tend vers une exponentielle des pertes ..).

Voici un graphique qui fait le lien entre vitesse de charge et décharge selon la température. Quand il fait froid le temps de charge est plus long mais le temps de décharge plus court, nous n'avons donc que des inconvénients

Notez qu'on estime à 90% la perte de rendement à - 40 degrés (montrant ainsi que les voitures électriques de Musk ne pourront pas vraiment servir sur Mars, à moins de trouver une autre chimie) ! Tesla indique aussi dans sa notice qu'il ne faut pas exposer sa batterie à une température inférieure à - 30 degrés ... Car si le froid n'est à la base pas néfaste pour la batterie (on perd juste en rendement dans ces conditions), le gel extrême peut bien évidemment induire des modifications internes au niveau de la chimie, un peu comme quand un liquide gèle (modification du volume/dilatation et cristallisation). Bref, jusqu'à - 20 / - 30 degrés cela n'induit que des pertes de rendement sans endommager les cellules.

Enfin, sachez qu'une batterie (la majorité des chimies sur le marché) fonctionne de manière optimale aux alentours des 20 degrés.

On voit ici l'évolution de la courbe de voltage (qui sert à mesurer le pourcentage de batterie restant) durant la décharge (et selon la température). On remarque une montée de la courbe (au début) sur les très faibles températures, car la batterie chauffe en étant utilisée (ce qui améliore un peu les choses)


Ces données sont très intéressantes car sont été collectées en condition réelle sur de nombreux véhicules ... On peut donc dire que les résultats sont fiables et reflètent bien ce que vous vivrez au quotidien. Sur certaines températures idéales, on dépasse même l'autonomie nominale indiquée par le constructeur ... Ne soyez donc pas étonné de voir les 100% être dépassés. Plus d'informations sur cette page.

(DOD = Deep of disarge)

Polarisation électrochimique

Quand on sollicite fortement sa batteries à très basse température, les réactions électrochimiques à l'intérieur de la batterie lithium sont plus lentes, ce qui peut mener à une accumulation de produits chimiques à la surface des électrodes (dégradations permanentes) et une diminution de la conductivité électrique. Cela peut augmenter la résistance de la batterie et réduire sa capacité à délivrer de l'énergie.

Décharge profonde

Une décharge profonde à froid sera plus néfaste pour la batterie que si cela est produit à chaud. Pensez donc à recharger rapidement votre accumulateur quand vous êtes en toute fin de batterie (sous les 10%), tant que la batterie est encore chaude. La conséquence est la dégradation du collecteur (corrosion) ainsi que l'accroissement de l'impédance de l'électrode côté négatif (pour ceux à qui ça parle évidemment ...).

Stationnement prolongé

Le froid sera plutôt un allier, les batteries doivent être idéalement stockées dans un milieu froid (idéalement vers les 10 degrés, mais en dessous ça ne pose pas de problème). Ne voyez donc pas le froid comme un ennemi pour votre batterie, bien au contraire ...

L'influence de la chaleur sur les voiture électriques

Les batteries au lithium vivent mal les températures au delà de 70° Celsius (à partir de 50° cela commence à dégrader la batterie bien que cela dépendra toujours un peu de leur qualité et conception, les cellules cylindriques dissipant mieux la chaleur par exemple) , il est donc impératif d'éviter d'en arriver à ces niveaux de température. Il faut donc savoir que la chaleur peut provenir du milieu dans lequel on est mais aussi et surtout de l'utilisation de la batterie (plus on tire dessus plus elle chauffe : effet Joule).

La problématique est subtile car la chaleur influe aussi sur la capacité de stockage (meilleure à chaud mais on va y revenir) et la durée de vie de la batterie à la fois (l'un prenant le pas sur l'autre). On y revient au chapitre de la recharge ...

Toutes les voitures ne sont pas logées à la même enseigne, car si on retrouve un circuit de refroidissement liquide sur les Tesla, ce n'est par exemple pas le cas sur une Leaf qui les refroidit de manière assez rudimentaire (par l'air uniquement). La Leaf vivra donc potentiellement dans sa vie plus d'excès de température bien que l'électronique de puissance limitera la puissance des moteurs quand on atteindra la limite (en revanche elle ne peut rien faire dans le cas d'une canicule en circulant au Sahara ...). Pensez donc à vérifier si l'auto que vous convoitez à un dispositif de refroidissement poussé ... Et à ce propos les dégradations de capacités de la batterie sur les autos de ce type sont généralement plus importantes que sur celles qui sont dotées d'un refroidissement actif performant. On peut vite se retrouver avec 20 à 30% d'autonomie en moins au bout de 5 ans, contre moins de 10 sur les Tesla ...

Pensez aussi à limiter vos ardeurs quand il fait très chaud, il faut donc éviter d'accélérer fort de manière répétées ou d'abuser de la régénération (dans le cas d'une descente de montagne en pleine canicule). Bien évidement les véhicules ont quand même été conçus de manière à limiter les dégâts, il ne faut donc pas aller jusqu'à devenir paranoïaque.

Recharge

Si le chaud est clairement l'ennemie des batteries, il permet toutefois d'améliorer les recharges de forte intensité. Recharger à 150 kW batterie froide aura comme conséquence de dégrader fortement les cellules (phénomène de "déposition de lithium") ...
Pour avoir quelques repères, sachez qu'à 45 degrés la batterie peut emmagasiner 20% d'énergie en plus qu'à 20 degrés. Toutefois, au bout de 200 cycles on aura une perte de capacités de 6.7% avec des charges à 45 degrés contre 3.3% avec des charges à 20 degrés.
L'électronique de puissance, si il n'a pas été codé avec les pieds évidemment, gèrera aussi cela en limitant le débit batterie froide.
Il faut quand même être plus méfiant des électriques "anciennes" telles les Zoe (qui inspire peu confiance vu vos retours sur la fiche fiabilité du site) ou Leaf 1.

Autonomie

On a plus d'autonomie quand la batterie est chaude, mais vous l'aviez probablement deviné en lisant le premier paragraphe ... C'est donc le rendement de la batterie qui est meilleur en exploitant au maximum les kWh disponibles en son sein. Il n'y a toutefois pas besoin d'arriver à des températures importantes, à partir de 20 degrés c'est tout bon.

Bilan et témoignage

Si il est intéressant de connaître les impacts et conséquences du chaud et du froid sur les batteries des voitures électriques, il faut quand même prendre en compte que les calculateurs permettent de limiter la casse en contrôlant tout cela, et il y a même parfois une jauge de température (telle la Leaf II par exemple) pour vous informer du niveau de chaleur de la batterie.

Enfin, quoi de mieux que le témoignage d'un taxi qui utilise une Model 3 depuis 72 000 km :

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