Cette TechLetter est consacrée à la gestion thermique des batteries. En effet, les performances et la durée de vie de la batterie sont grandement affectées par la température des cellules qui la composent. Il est donc important de contrôler la température de ces cellules pour assurer la productivité d’une machine électrique ainsi que sa rentabilité en maitrisant l’autonomie de la batterie tout au long de sa vie.
Quelle est l’importance de la gestion thermique des batteries dans les applications exigeantes ?
Une mauvaise gestion thermique des batteries li-ion entraîne les problèmes suivants :
- Perte de capacité en hiver (de 20 à 60 %)
- La surchauffe empêche la charge de la batterie, surtout en été
- Pas de possibilité de charge rapide sans affecter la durée de vie de la batterie
- La charge rapide est arrêtée prématurément en raison d’une surchauffe de la batterie
- Grande différence de température des cellules à l’intérieur d’une batterie, entraînant un vieillissement accéléré et, par conséquent, une perte de capacité précoce.
- Surchauffe désactivant la batterie, en particulier lors d’utilisations à forte puissance
- Pas de possibilité de recharger à basse température
- Durée de vie de la batterie considérablement réduite.
Si vous avez rencontré de tels problèmes, lisez attentivement les lignes suivantes.
Comment une cellule lithium-ions stocke-t-elle l’énergie ?
Le principe d’une cellule lithium-ions est que les ions lithium se déplacent d’une électrode à l’autre par diffusion dans un électrolyte liquide à travers un séparateur électriquement isolant, comme illustré dans l’image ci-dessous. Lors de la charge de la cellule, les ions sont poussés dans le matériau actif de l’électrode négative (anode) ; lors de la décharge de la cellule, les ions sont poussés dans le matériau actif de l’électrode positive (cathode).
La structure moléculaire des matériaux actifs aux deux électrodes permet d’insérer des ions lithium dans des sites libres du matériau. Comme vous pouvez le voir, les matériaux actifs (Graphite et LiM02 sur l’image ci-dessus) sont enduits sur des électrodes métalliques (cuivre pour le graphite et aluminium pour le LiMO2). En augmentant l’épaisseur des matières actives, il est possible d’augmenter le nombre de sites de stockage des ions lithium pour le même volume d’autres matériaux (électrodes, séparateur…). Cela conduit à une cellule li-ions à densité d’énergie plus élevée. Comme les électrodes sont plus épaisses, il y a plus de distance à parcourir à travers le matériau pour les ions lithium et cela augmente la résistance électrique interne de la cellule. Des électrodes plus minces permettent au contraire des taux de charge et de décharge plus rapides, mais limitent la densité d’énergie, ce qui donne une cellule pour applications forte puissance.
Influence de la basse température sur les performances de la batterie
Certains d’entre vous ont peut-être remarqué que leur smartphone perd rapidement de son autonomie dans des conditions très froides (journée de ski, hiver fort…). En effet, les cellules li-ions à haute énergie utilisent des électrodes très épaisses, et les ions lithium ont un accès plus difficile aux sites d’insertion libres situés au plus profond dans la matière active de l’électrode. L’accès à ces sites devient impossible à basse température en raison de la résistance accrue de l’électrolyte plus visqueux et de la diffusion plus dure dans les matériaux actifs moins flexibles. La figure ci-dessous montre le chemin que les ions doivent suivre pour atteindre des sites d’insertion de matériaux actifs profonds.
Les cellules lithium-ions présentent ainsi une autonomie beaucoup plus faible à basse température et cela peut être mesuré facilement. Ce phénomène est amplifié pour les cellules à haute énergie, avec les électrodes les plus épaisses. Des chiffres typiques sont donnés dans le tableau ci-dessous.
Cellule | Haute énergie |
Moyen | Forte puissance |
Capacité à 25°C | 100 | 80 | 33 |
Capacité à -10°C | 60 | 64 | 30 |
En raison de la résistance interne accrue de l’électrode négative, la charge à basse température (env. 5 °C ou moins) peut entraîner un dépôt de lithium métal sur l’électrode négative au lieu d’une insertion dans les sites libres de l’électrode. Le dépôt de lithium métal vieillit prématurément la cellule en consommant des ions lithium qui ne sont plus disponibles pour stocker de l’énergie. Mais surtout, le dépôt de lithium métal peut entraîner la formation de dendrites et provoquer un court-circuit interne de la cellule (plus d’informations dans ce livre blanc Elsevier de Xianke Lin et tous). Le court-circuit interne peut conduire dans le meilleur des cas à une fin de vie précoce de la cellule et, dans le pire des cas, à un emballement thermique, entraînant un incendie et/ou une explosion de la batterie.
Influence de la température élevée sur les performances de la batterie
Comme expliqué dans notre précédente TechLetter sur le vieillissement des batteries lithium-ions, des études scientifiques montrent que le vieillissement de tout type de batterie li-ions est divisé par 2 à 3 entre une utilisation à 25°C et une même utilisation à 45°C (par exemple : Elsevier – Transportation Research Part B 103 (2017) 158–187 ou la thèse d’Arnaud Devie ).
De plus, et pour des raisons de sécurité, les batteries li-ions ne peuvent pas être utilisées au-dessus d’une température maximale définie par le fabricant pour éviter l’emballement thermique (voir TechLetter sur la sécurité des batteries pour plus d’informations). C’est pourquoi les cellules li-ions ne peuvent pas être chargées au-dessus de 45°C et ne peuvent pas être déchargées au-dessus de 60°C.
La cellule la plus faible limite les performances de l’ensemble de la batterie
Une batterie est composée d’un grand nombre de cellules lithium-ion connectées en série et en parallèle pour atteindre la puissance et l’énergie demandées (voir TechLetter sur le système de batterie pour plus d’informations). Comme illustré dans la figure ci-dessous, toutes les cellules connectées en série voient le même courant; donc si une cellule a moins de capacité que les autres, elle atteindra sa fin de décharge avant les autres et limitera les performances de l’ensemble de la batterie.
Source : New Cell Balancing Charging System Research for Lithium-ion Batteries by Chan-Yong Zun, Sang-Uk Park and Hyung-Soo Mok
Il est donc important de s’assurer que les cellules ont un vieillissement très homogène pour maximiser la durée de vie du pack batterie. La gestion thermique du pack batterie doit s’assurer que toutes les cellules fonctionnent à la même température.
Conclusion
En raison des phénomènes physiques impliqués dans les cellules lithium-ion, la température a un impact considérable sur leurs performances et leur vieillissement. Le contrôle de la température pendant toute la durée de vie de la batterie est alors important pour les applications nécessitant des performances constantes et une longue durée de vie. Ce contrôle de la température doit s’assurer que les températures des cellules sont homogènes dans l’ensemble du pack batterie afin que les performances globales ne soient pas limitées par la cellule la plus dégradée.
Le refroidissement par air de la batterie est insuffisant dans la plupart des cas et présente de grands écarts de températures entre cellules. Le refroidissement par eau, de par sa conception, présente aussi d’importantes différences de températures entre les cellules et augmente les risques d’incendie en cas de fuite d’eau dans la batterie.
En utilisant le refroidissement par immersion et une architecture de refroidissement brevetée garantissant une température très homogène dans l’ensemble du pack batterie, la technologie WATTALPS permet d’assurer une durée de vie maximale et des performances élevées, ainsi qu’une sécurité globale améliorée du pack batterie.
Plus d’informations sur les performances de refroidissement de WATTALPS dans une prochaine TechLetter qui sera publiée à la fin du mois de juin.