Les facteurs influents sur la durée de vie des batteries lithium-ions
Les principaux facteurs qui influent sur la durée de vie des batteries lithium-ions sont :
Le nombre de cycles (charge/décharge)
C’est le facteur le plus utilisé pour choisir une batterie étant donné qu’il permet de calculer le retour sur investissement lié à l’utilisation d’un engin électrique. Lors des charges et des décharges, les ions lithium s’insèrent et se séparent des matériaux actifs (voir TechLetter « Historique et futur de la batterie »). Les matériaux se dilatent lors de l’insertion d’ions et se rétractent lors du phénomène inverse, ce qui détériore progressivement la structure de la batterie.
Charge rapide
Les batteries lithium-ions peuvent en général être chargées sans problème en 5h et certains types en 2h. Les charges rapides réduisent en général la durée de vie des batteries. La vitesse de charge acceptable varie pour chaque référence de cellule utilisée. En fonction de la vitesse de charge, la durée de vie peut être divisée par 10, voire plus en cas de charge inappropriée (voir l’article de Madeleine Eckera, Pouyan Shafiei Sabet et Dirk Uwe Sauer). WATTALPS a constaté sur les essais de vieillissement que la charge rapide diminuait de 15 à 30% la durée de vie de ses cellules “longue vie” alors que pour les cellules “haute énergie”, la durée de vie est divisée par 7. Lors de la charge rapide, les ions lithium s’insèrent dans la matière active avec beaucoup d’énergie, ils créent ainsi plus de dommage que lors d’une charge lente. Dans certains cas, la charge rapide peut aussi provoquer le dépôt de lithium sous forme de métal à la surface de l’électrode négative.
Température
Souvent oubliée, la température est un des facteurs qui influe le plus sur la durée de vie des batteries lithium-ions. Les utilisations à trop haute température vont créer un vieillissement prématuré, lié à l’augmentation de la cinétique des réactions parasites (loi d’Arrhenius). Les utilisations et notamment la charge à basse température détériore très rapidement la structure de la majorité des batteries lithium-ions (voir article de Madeleine Eckera cité précédemment). De nombreuses études montrent que la durée de vie d’une batterie est divisée par 2 à 3 entre une utilisation à 25°C et une utilisation à 45°C (par exemple : Elsevier – Transportation Research Part B 103 (2017) 158–187 ou la thèse d’Arnaud Devie http://www.theses.fr/2012LYO10231 ).
Vieillissement batterie en stockage vs température
Calendar aging of battery vs temperature
Etat de charge
Le temps passé par la batterie a des états de charge extrêmes (charge maximale ou décharge profonde) a une influence importante sur la durée de vie. Souvent, les utilisateurs avisés de batterie empêchent les charges ou les décharges complètes pour augmenter la durée de vie des batteries.
Les éléments importants pour garantir une bonne durée de vie aux batteries lithium-ions
Essais de vieillissement
Chaque référence de batterie lithium-ions réagit différemment aux facteurs cités ci-dessus. Il est donc important d’avoir des essais de vieillissement proches de l’application pour estimer la durée de vie de votre batterie. WATTALPS teste ses batteries selon 9 profils de cyclage et 8 profils de vieillissement calendaires (état de charge / température) de façon à estimer la durée de vie de ses batteries pour les applications de ses clients.
Maintenir la batterie dans les bonnes plages de fonctionnement
Si la batterie doit être utilisée à des températures élevées (35°C ou plus) ou basses (5°C ou moins), il peut s’avérer nécessaire de l’équiper de système de conditionnement en température pour augmenter sa durée de vie. Grâce à son système de conditionnement thermique par immersion innovant, les batteries WATTALPS s’adaptent à un grand nombre d’application.
Il est aussi primordial de respecter l’ensemble des consignes du fabricant de cellules de façon à maintenir la batterie dans sa zone de fonctionnement optimale en termes de courant, tension et température. L’électronique de gestion de WATTALPS communique en permanence avec l’application les valeurs à ne pas dépasser et dispose de 3 niveaux d’alerte programmables pour répondre à tous les besoins.
Fin de vie
Il est généralement admis que les batteries lithium-ions sont en fin de vie lorsqu’elles ont perdu 20 à 25% de leur capacité initiale. Pour certaines applications, il peut être tolérable de perdre plus de capacité. Certaines batteries permettent une utilisation jusqu’à avoir perdu 40% de capacité. Au-delà des limites fixées par le fabricant, la capacité peut chuter très brusquement et l’utilisation peut devenir dangereuse dans certains cas.
Pour approfondir la question, nous vous proposons deux articles accessibles et intéressants, qui donnent un retour d’expérience de vieillissement de batterie pour plus de 6000 voitures électriques :
En Français : https://www.automobile-propre.com/batteries-quelle-perte-de-capacite-pour-les-voitures-electriques/
En anglais : https://www.geotab.com/blog/ev-battery-health/