Le vieillissement des batteries de traction

Les batteries de traction, qui permettent de stocker l’énergie nécessaire au fonctionnement des voitures électriques, sont des systèmes de stockage d’énergie complexes, théâtres de nombreuses réactions électrochimiques. En raison de ces réactions, les matériaux qui composent la batterie s’usent dans le temps, ce qui impacte les performances des véhicules électriques. Ce phénomène de dégradation des packs est appelé “vieillissement”.

Qu’est-ce que le vieillissement ?

Comme toutes les batteries au lithium, les batteries des voitures électriques se dégradent avec le temps. Plus un véhicule électrique vieillit et parcourt des kilomètres, plus ses performances diminuent. Au bout de quelques années et quelques dizaines de milliers de kilomètres, une voiture électrique voit son autonomie et sa puissance diminuer, et son temps de rechargement augmenter. Pire encore, des batteries très dégradées peuvent présenter des risques importants d’emballement thermique. Dans ce cas là, le BMS (cf batteries de traction) met en panne le véhicule pour protéger les utilisateurs, mais une défaillance du logiciel peut conduire à un accident.

Si auparavant les batteries lithium-ion étaient principalement utilisées dans les smartphones ou les ordinateurs, dont la durée de vie est de deux ou trois ans, on les retrouve aujourd’hui dans les voitures électriques. Comme la durée de vie d’un véhicule est de l’ordre de la dizaine d’années, il devient capital de comprendre, de maîtriser et d’appréhender ce phénomène de vieillissement. En effet, qui voudrait acheter une voiture neuve dont l’autonomie maximum serait divisée par deux au bout de quelques années ?

En fait, le vieillissement est dû à des réactions électro-chimiques et à des dégradations physiques des cellules qui composent les batteries de traction. Il n’existe pas un seul type de vieillissement, mais plusieurs, dûs à des mécanismes complexes dont beaucoup font encore l’objet d’études en laboratoire. Nous pouvons catégoriser les mécanismes de vieillissement en deux catégories : le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique.

Le vieillissement calendaire désigne la dégradation “au repos” de la batterie. Lorsqu’un véhicule électrique n’est pas utilisé, sa batterie se dégrade quand même. Ce phénomène est particulièrement important à prendre en compte car en moyenne, les voitures restent 90% de leur vie au garage ! Le vieillissement calendaire dépend fortement de la manière dont est stockée la batterie : la température extérieure et le niveau de charge de la batterie lors du stockage jouent un grand rôle dans ce type de vieillissement.

Le vieillissement cyclique concerne la dégradation des batteries au cours d’un cycle de recharge ou de décharge, c’est-à-dire lorsqu’on utilise la voiture. Selon l’usage que l’on fait du véhicule, le vieillissement cyclique peut avoir une part significative dans la dégradation des packs batteries.

Bien sûr, ces deux types de vieillissement se combinent et interagissent tout au long de la vie des batteries des voitures électriques en usage réel, ce qui complexifie beaucoup l’étude du vieillissement global des packs : on ne peut pas simplement juxtaposer les effets des vieillissements cycliques et calendaires.

Les mécanismes de vieillissement des batteries de voitures électriques :

Pour comprendre le mécanisme de vieillissement des packs des voitures électriques, il faut d’abord bien comprendre comment fonctionne une batterie de traction. Si cela n’est pas déjà fait, n’hésitez pas à lire notre article qui explique le fonctionnement des batteries de traction.

Lorsque les batteries se chargent et se déchargent, les ions Li+ passent respectivement de l’anode à la cathode et de la cathode à l’anode, le tout en traversant l’électrolyte. Les performances d’une batterie dépendent directement du nombre d’atomes de lithium Li capables de céder un Li+ pouvant migrer d’une électrode à l’autre. Ces atomes de lithium sont appelés lithiums cyclables : grosso modo, pour qu’une batterie fonctionne bien, il faut que le plus de lithiums cyclables se déplacent.

Deux facteurs sont à l’origine de la dégradation des batteries : la perte de lithiums cyclables (due à des réactions chimiques parasites) et les obstacles à leurs déplacements (dûs à l’augmentation de la résistance interne de la batterie).

Un des principaux mécanismes responsables du vieillissement d’une batterie de traction est l’expansion de la Solid Electrolyte Interphase (SEI). Cette interface solide se forme au contact des électrodes (principalement de la cathode) et de l’électrolyte. La SEI se crée naturellement lors de la toute première charge de la batterie et permet de protéger les électrodes. Cette interface est un isolant et permet d’offrir une garantie de sécurité (si un contact non voulu se crée entre les électrodes, la batterie peut prendre feu). Cependant, la SEI n’est pas stable et se développe avec le temps, ce qui a un effet double :

d’abord, la SEI s’étend par réduction des atomes de lithium cyclables, premier facteur du vieillissement des packs,
ensuite, la SEI augmente la résistance interne des cellules, deuxième facteur de dégradation.

Une autre cause du vieillissement des packs est la perte de matière active positive ou négative. La matière active est la substance où l’énergie est stockée. À la différence par exemple de l’électrolyte, qui est intégralement constituée de matière passive, on retrouve la matière active dans les électrodes. Le graphite, qui est une matière minérale que l’on retrouve dans beaucoup de technologies de batteries au lithium au niveau de l’anode, fait partie de cette matière active. Des réactions chimiques parasites et néfastes peuvent avoir lieu entre l’anode et les solvants qui composent l’électrolyte, et déclenchent une exfoliation du graphite.

Comment limiter la dégradation des batteries de voitures électriques ?

Vous l’aurez compris, c’est l’environnement et l’usage de la batterie qui impactent grandement les performances des packs et accélèrent le vieillissement des batteries. Il convient donc de préciser ici les bons réflexes à adopter pour préserver la santé de sa batterie.

Tout d’abord, les conditions de stockage jouent un rôle évidemment conséquent dans le vieillissement calendaire des batteries lithium-ion. De nombreuses études (cf sources) menées sur des cellules de même technologie stockées pour différents niveaux de températures et de State of Charge (SOC), ont mis en évidence le lien entre ces deux facteurs et la durée de vie. Aussi, les températures élevées de stockage accélèrent les réactions chimiques parasites décrites plus haut ainsi que l’expansion de la SEI. De même, des stockages de batteries à fort niveau de SOC conduisent à des dégradations prématurées des cellules. Les effets combinés du niveau de SOC et des températures de stockage sont encore à l’étude : par exemple un stockage de 1000 jours à 60°C et 50% SOC dégrade plus les cellules qu’un stockage de 1000 jours à 40°C et 100% de SOC.

En outre, le mode d’utilisation du véhicule influe, par définition, directement sur le vieillissement cyclique des packs batteries. De nombreux facteurs interviennent dans ce type de vieillissement, comme par exemple la température interne des batteries, qui augmente lorsque les sollicitations sont très fortes (par exemple sur autoroute ou en charges rapides). Les charges ou décharges rapides, en plus d’augmenter la température, augmentent aussi les tensions aux bornes des cellules, ce qui provoque des dégradations. Une étude prouve que la durée de vie d’un pack est fortement diminuée lorsque la tension de charge augmente de 0,1V.

Conclusion

Les batteries de nos véhicules électriques sont des objets fragiles et complexes faisant intervenir des réactions chimiques et physiques, désirées pour certaines et néfastes pour d’autres (réactions parasites). Cette chimie provoque des dégradations irréversibles des cellules, lors de leur utilisation (charge et décharge) ou de leur stockage (90% de la vie d’une voiture se passe au garage). Ces dégradations ont des conséquences directes sur l’usage d’un véhicule électrique (autonomie, puissance, temps de rechargement ….) et sont uniques pour chaque voiture, puisque le vieillissement est extrêmement lié à l’usage du véhicule, qui dépend des propriétaires. Il n’existe donc pas de loi générale qui relierait l’âge ou les kilomètres d’un véhicule avec l’état de santé de sa batterie.

La batterie de traction représente quasiment la moitié de la valeur d’une voiture électrique, il faut donc être très vigilant à son état lors de l’achat d’un véhicule de seconde main. Pour s’éviter toutes mauvaises surprises, nous conseillons fortement aux acheteurs de voitures électriques d’occasion de se renseigner sur le niveau de performances de la batterie du véhicule qui les intéresse. Le certificat La Belle Batterie est une solution unique qui offre aux acheteurs cette transparence sur les batteries usées. En savoir plus sur labellebatterie.com.

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Sources :

Analyse statistique de données issues de batteries en usage réel sur des véhicules électriques, pour la compréhension, l’estimation et la gestion des phénomènes de vieillissement (2014), Anthony Barré
Etude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications “véhicules électrique” : combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage (2017), Eduardo Redondo Iglesisa
Journal of Power Sources (2002), p445-470 , Journal of Power Sources (2005) p298-306)