Compréhension et mitigation du vieillissement des batteries Li-ion

Toute batterie est un système réversible de stockage et de conversion électrochimique de l’énergie basé sur des réactions d’oxydoréduction. Elle est constituée d’un ensemble d’accumulateurs, également appelés « cellules », connectés électriquement pour délivrer l’énergie et la puissance électrique au niveau de tension choisie. Une batterie dispose généralement d’un système électronique appelé « BMS » (Battery Management System) pour gérer les charges et décharges à partir de signaux de courant, tension et température. Au sein d’une batterie, chaque accumulateur lithium-ion comprend les composants internes suivants :

• une électrode positive et une électrode négative qui toutes deux insèrent et désinsèrent les ions lithium ;

• un électrolyte qui assure le transport des ions lithium ;

• un séparateur qui assure l’isolation électrique entre les deux électrodes ;

• une connectique pour assurer le passage des électrons entre circuit électrique et électrodes ;

• un boîtier ou emballage pour garantir l’étanchéité, car les composés lithiés peuvent être instables avec l’eau et l’air.

Au cours du temps, sous l’effet d’une instabilité chimique ou électrochimique de ces composants et/ou d’une interaction avec l’environnement, on observe un vieillissement de la batterie, c’est-à-dire une diminution irréversible des performances (énergie, puissance) et donc de sa durée de vie. Le vieillissement des batteries dépend de nombreux facteurs et reste difficile à maîtriser. Toutefois, les enjeux économiques et environnementaux sont grands et des progrès sont recensés chaque année sur l’amélioration de la durée de vie des batteries .

Depuis la commercialisation des premiers accumulateurs Li-ion au début des années 1990 et surtout depuis une quinzaine d’années, le marché mondial des batteries connaît une très forte croissance d’environ 30 % par an avec le développement du transport électrique et du stockage d’énergie stationnaire nécessitant des volumes conséquents de batteries avec une grande capacité de stockage, le tout avec un fonctionnement en sécurité et présentant une grande durabilité. Pour répondre aux exigences de ces nouvelles applications, les technologies de batteries ont évolué. Trois générations de batteries Li-ion ont déjà été développées avec électrode négative majoritairement à base de graphite, électrolyte liquide et différents matériaux d’électrode positive. Il existe ainsi une multitude de batteries différentes avec des compositions de matériaux, microstructure et architecture des composants internes totalement variables d’une référence d’accumulateur à l’autre et qui conduisent à des performances initiales et à un vieillissement différent. D’autres variables telles que le procédé de fabrication des cellules, l’architecture de la batterie et les conditions d’usage sont également à prendre en considération car elles influent sur la nature et la dynamique des mécanismes de vieillissement. Face à cette infinité de scénarii, de nombreux travaux sont menés depuis plus de 30 ans sur des accumulateurs commercialisés pour identifier les principaux mécanismes de dégradation. Des revues de la littérature répertorient les mécanismes électrochimiques et physicochimiques internes à l’échelle de la cellule et les facteurs de dégradation associés.

Aujourd’hui, il faut répondre aux trois problématiques suivantes sur le vieillissement des batteries :

• quelles sont les solutions pour ralentir le vieillissement, minimiser les conséquences et diminuer la probabilité d’occurrence d’une défaillance, l’objectif étant d’améliorer la rentabilité et diminuer l’impact environnemental tout en garantissant la sécurité ? ;

• comment évaluer, mesurer précisément le vieillissement des batteries pour en optimiser l’usage avec un meilleur contrôle via un BMS (Battery Management System), et pour cibler la meilleure orientation vers une seconde vie ou un recyclage ? ;

• comment prédire le vieillissement pour pouvoir établir des garanties constructeur et optimiser la planification des opérations de maintenance ?

Cet article fournit les bases sur les causes du vieillissement des batteries Li-ion de générations actuelles, les conséquences démontrées et les principales stratégies de mitigation validées à ce jour, en présentant toujours les limites de la connaissance et des moyens utilisés.