Amélioration des performances des batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion n’ont cessé d’être améliorées depuis leur apparition, que ce soit au niveau des performances, de la sécurité et du recyclage. Elles sont présentes partout, et sont aujourd’hui un maillon essentiel de la transition énergétique.
C’est une révolution telle qu’en 2019, le prix Nobel de chimie a été attribué aux trois spécialistes de la batterie lithium-ion, John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino.
La demande concernant les véhicules électriques et le stockage d’énergie stationnaire ne va faire qu’accroître celle des batteries. En effet, nous avons besoin de davantage d’énergie propre et renouvelable.
Avec cette demande croissante, des avancées apparaissent, pas uniquement au niveau de la puissance et de la capacité, mais sur l’ensemble du cycle de vie de la batterie. Selon Hélène Burlet, experte batterie à la direction scientifique du CEA : « Imaginer, concevoir, fabriquer la batterie du futur comporte de nombreuses facettes. Elle doit d’abord présenter la plus grande sécurité possible et toutes les garanties. Nous avons absolument besoin de développer des performances accrues, une densité d’énergie supérieure (quantité d’énergie embarquée), nous devons répondre à des problématiques de puissance (notamment le temps de recharge) et évidemment travailler sur la durabilité et la recyclabilité ».
Le fonctionnement d’une batterie lithium-ion
Une batterie lithium-ion, c’est un assemblage de cellules montées en série et en parallèle. Elle transforme l’énergie chimique en énergie électrique. Il existe sous la dénomination batterie lithium-ion différentes chimies. Chez Batteries Prod, nous fabriquons sur-mesure des batteries lithium-ion NCM.
Une batterie lithium-ion NCM se compose d’une électrode positive, la cathode qui est composée d’oxyde métallique de lithium avec en quantité variable du nickel, du cobalt et du manganèse et d’une électrode négative l’anode, constituée de graphite. Elle se compose aussi d’un séparateur et d’un électrolyte liquide. Les batteries lithium-ion libèrent de l’énergie via l’échange réversible d’ions lithium de l’électrode positive vers l’électrode négative.
Batterie lithium-ion de nombreux avantages
Des chercheurs ont plusieurs pistes pour augmenter les performances, la puissance et la sécurité des batteries, et ainsi développer les batteries du futur avec notamment des avancées au niveau des matériaux. Actuellement, la technologie lithium-ion permet le plus haut niveau de densité énergétique. Elle est privilégiée pour les mobilités électriques, en raison de ses performances élevées et de sa longue durée de vie, en supportant un grand nombre de cycles de charge/décharge. Le lithium est le métal alcalin le plus léger, les batteries Li-ion ont en effet, une densité énergétique élevée pour un poids et un volume faible. Les batteries lithium-ion ont aussi un atout majeur, une très faible autodécharge.
L’impact de la forme des cellules
Telsa utilise pour ses véhicules électriques des batteries lithium-ion de type nickel-cobalt-aluminium (NCA) ou nickel-cobalt-manganèse (NCM) pour ses modèles avec la plus longue autonomie. Ces deux chimies sont utilisées avec des cellules cylindriques de type 1865 et 2170.
Telsa a conclu qu’il est préférable d’utiliser de plus grandes cellules avec une capacité plus importante et de ce fait, l’utilisation de moins de cellules. Les batteries sont alors optimisées.
Cette année est arrivée sur le marché la cellule de type 4680, celle-ci est 5 fois plus grande que la cellule 2170. Elle peut donc être améliorées en introduisant de nouvelles technologies, mais ces facteurs rendent la production plus contraignante. Le constructeur développe et produit alors ses cellules 4680 en interne.
Les nouvelles technologies de batterie
La batterie tout-solide
Au coeur d’une batterie lithium-ion, les ions se déplacent entre les deux électrodes via un électrolyte liquide. La batterie tout-solide, toujours fondée sur l’utilisation du lithium est composée quant à elle d’un électrolyte à l’état solide. Ce concept n’est pas récent, mais il y a quelques années des découvertes au niveau des électrolytes solides ont été faites, relançant ainsi les recherches.
Pour en savoir plus, consultez un article à ce sujet : Les avancées de la batterie tout-solide
Dans l’immédiat, « on met l’accent sur les batteries tout solide », Simon Perraud, directeur adjoint du CEA Liten (énergies nouvelles).
La technologie tout-solide offre un niveau de sécurité plus élevé aux batteries due à l’électrolyte solide qui est moins inflammable. Elle possède un autre avantage, une amélioration de la densité énergétique.
La batterie tout-solide présente de nombreux intérêts : « D’abord une augmentation de l’autonomie. Nous envisageons de passer de 250 Wh/kg aujourd’hui à 450 en 2030. [ …] Ensuite, une amélioration significative de la sécurité, l’électrolyte solide étant beaucoup plus stable ».
Ces batteries plus denses et légères seraient alors adaptées aux véhicules électriques leur permettant de parcourir plus de kilomètres qu’à l’heure actuelle.
Amélioration des performances et de la sécurité
Des recherches sont en cours sur le BMS (Batterie Management System). Cet élément assure la gestion de divers paramètres pour que la batterie fonctionne dans des conditions optimales de performance et de sécurité. Ce système de gestion recense l’ensemble des informations des cellules et permet d’allonger la durée de vie de la batterie.
Pour en savoir plus : Le rôle du BMS de la batterie lithium-ion
