Principes de base des batteries
Les cellules de batterie rechargeables stockent l’énergie sous forme chimique et la restituent sous forme d’électricité en déplaçant des ions chargés entre deux électrodes, tandis que les électrons circulent dans un circuit externe. La plupart des véhicules électriques utilisent des cellules lithium-ion ; les cellules sodium-ion reposent sur un principe similaire, mais emploient d’autres matériaux et ions porteurs de charge.
De la cellule au pack batterie
Une cellule est la plus petite unité électrochimique complète de stockage d’énergie. Une cellule ne produit normalement que quelques volts ; un véhicule électrique en relie donc un grand nombre afin d’obtenir la tension et l’énergie dont il a besoin.
Les cellules peuvent être regroupées en modules, puis les modules installés dans un pack batterie. Certains packs plus récents intègrent directement les cellules dans leur structure, sans boîtiers de modules conventionnels.
Le pack complet comprend également des connexions électriques, des équipements de refroidissement ou de chauffage, des capteurs, des contacteurs, des fusibles, une enceinte de protection et un système de gestion de la batterie.
Le chapitre Pack batterie et configuration explique comment les cellules sont connectées et physiquement intégrées.
Que contient une cellule de batterie ?
Une cellule lithium-ion conventionnelle comporte cinq grands types de composants :
- Une électrode négative
- Une électrode positive
- Un électrolyte
- Un séparateur
- Des collecteurs de courant pour les deux électrodes
L’électrode négative est couramment appelée anode, tandis que l’électrode positive est appelée cathode. Ces noms décrivent leurs rôles lorsque la batterie se décharge. La documentation consacrée aux batteries conserve généralement les mêmes termes lorsqu’elle traite de la recharge.
Électrode négative
L’électrode négative stocke les ions lithium lorsque la cellule est chargée et les libère lorsque celle-ci se décharge.
La plupart des cellules lithium-ion actuelles destinées aux véhicules électriques utilisent le graphite comme principal matériau d’électrode négative. Certaines ajoutent du silicium afin d’augmenter la quantité de lithium que l’électrode peut stocker. Le lithium est maintenu dans le matériau de l’électrode, et non stocké sous forme de lithium métallique libre.
Électrode positive
L’électrode positive libère des ions lithium pendant la recharge et les reçoit pendant la décharge.
Son matériau actif est l’un des principaux facteurs qui définissent la chimie de la cellule. Parmi les familles de cathodes courantes dans les véhicules électriques figurent le lithium-fer-phosphate (LFP), le nickel-manganèse-cobalt (NMC) et le nickel-cobalt-aluminium (NCA).
Le chapitre Chimie et composants des cellules présente plus en détail ces matériaux et leurs compromis.
Électrolyte
L’électrolyte permet aux ions de circuler entre les deux électrodes.
La plupart des cellules actuelles de véhicules électriques utilisent un électrolyte liquide contenant un sel de lithium dissous dans des solvants organiques. D’autres conceptions peuvent employer des électrolytes en gel, semi-solides, polymères ou solides.
L’électrolyte conduit les ions à l’intérieur de la cellule. Les électrons, eux, doivent circuler dans le circuit électrique externe.
Séparateur
Le séparateur est une fine membrane poreuse placée entre les électrodes positive et négative.
Il empêche tout contact physique direct entre les électrodes, qui pourrait provoquer un court-circuit interne. Ses pores microscopiques permettent néanmoins aux ions de traverser l’électrolyte.
Collecteurs de courant
Les matériaux actifs des électrodes sont déposés sur de fines feuilles conductrices appelées collecteurs de courant. Ces feuilles transportent les électrons entre les matériaux des électrodes et les bornes de la cellule.
Les cellules lithium-ion conventionnelles utilisent normalement une feuille de cuivre du côté de l’électrode négative et une feuille d’aluminium du côté de l’électrode positive. (U.S. Department of Energy)
Fonctionnement de la décharge
Lorsque la cellule se décharge, les ions lithium se déplacent de l’électrode négative vers l’électrode positive en traversant l’électrolyte et le séparateur.
Les électrons ne peuvent pas emprunter le même chemin interne à travers le séparateur. Ils circulent de la borne négative vers la borne positive par le circuit externe. Ce flux d’électrons fournit de l’énergie électrique au véhicule. (U.S. Department of Energy)
Pendant la décharge :
- L’électrode négative libère des ions lithium dans l’électrolyte
- Les ions traversent le séparateur en direction de l’électrode positive
- Les électrons quittent l’électrode négative par son collecteur de courant
- Les électrons circulent dans le circuit externe
- L’électrode positive reçoit les ions et les électrons qui reviennent
Une batterie de véhicule électrique fournit du courant continu. L’électronique de puissance du véhicule contrôle cette énergie et l’achemine vers le moteur électrique et les autres systèmes haute tension.
Fonctionnement de la recharge
La recharge inverse le déplacement des ions et des électrons.
Une source d’alimentation externe retire des électrons de l’électrode positive et les fournit à l’électrode négative par le circuit électrique. Simultanément, les ions lithium traversent l’électrolyte pour revenir de l’électrode positive vers l’électrode négative.
Pendant la recharge :
- L’électrode positive libère des ions lithium
- Les ions traversent l’électrolyte et le séparateur
- Des électrons sont retirés de l’électrode positive
- Le système de recharge fournit des électrons à l’électrode négative
- L’électrode négative stocke les ions lithium qui reviennent
- L’énergie électrique est convertie en énergie chimique stockée
Le même processus fondamental se produit lors du freinage régénératif. Le moteur électrique fonctionne comme un générateur et convertit une partie de l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique qui peut être renvoyée à la batterie.
L’illustration montre le principe de fonctionnement commun aux cellules lithium-ion et sodium-ion. Les cellules lithium-ion déplacent des ions Li⁺ entre les électrodes, tandis que les cellules sodium-ion déplacent des ions Na⁺. Les matériaux de leurs électrodes, leur tension, leur électrolyte et leur construction détaillée diffèrent.
Tension, courant, puissance et énergie
Ces termes décrivent différentes propriétés d’une batterie :
- La tension (V) est la différence de potentiel électrique qui fait circuler le courant dans un circuit.
- Le courant (A) décrit le débit de charge électrique.
- La puissance (kW) décrit la vitesse à laquelle la batterie fournit ou reçoit de l’énergie.
- La capacité (Ah) décrit la quantité de charge électrique qu’une cellule ou une batterie peut déplacer.
- L’énergie (kWh) décrit la quantité de travail électrique que la batterie peut fournir.
La puissance électrique se calcule à partir de la tension et du courant :
Puissance (kW) = Tension (V) × Courant (A) ÷ 1,000
L’énergie nominale approximative d’une batterie peut être calculée à partir de la tension et de la capacité en ampères-heures :
Énergie (kWh) ≈ Tension nominale (V) × Capacité (Ah) ÷ 1,000
Il s’agit d’une approximation, car la tension de la cellule varie en permanence selon l’état de charge, le courant, la température et la chimie.
Une batterie à haute énergie peut stocker une grande quantité d’énergie, tandis qu’une batterie à haute puissance peut fournir ou accepter cette énergie rapidement. La conception d’une batterie exige souvent un compromis entre densité énergétique, puissance, vitesse de recharge, durabilité, sécurité, masse et coût.
Tension des cellules et limites de fonctionnement
La tension d’une cellule provient de la différence de potentiel électrochimique entre les matériaux de ses électrodes positive et négative.
Cette tension n’est pas constante. Elle varie à mesure que la cellule se charge et se décharge, et la forme de cette variation dépend de la chimie.
Les valeurs nominales typiques comprennent :
- Environ 3.2 V pour une cellule lithium-ion LFP
- Environ 3.6–3.7 V pour de nombreuses cellules lithium-ion NMC et NCA
La tension nominale est une valeur représentative utilisée pour les calculs et les comparaisons. La tension réelle de la cellule évolue dans une plage de fonctionnement plus large.
Chaque conception de cellule possède des limites de tension supérieure et inférieure. Une recharge au-dessus du maximum autorisé ou une décharge sous le minimum peut endommager la cellule, accélérer sa dégradation ou créer un risque pour la sécurité.
Le système de gestion de la batterie surveille la tension des cellules et maintient la batterie dans sa plage de fonctionnement autorisée. Il tient également compte du courant, de la température, de l’état de charge et des différences entre les cellules.
Lithium-ion et sodium-ion
Les cellules lithium-ion et sodium-ion déplacent toutes deux des ions chargés positivement entre deux électrodes, mais ces technologies ne sont pas interchangeables.
Les cellules lithium-ion déplacent des ions lithium, notés Li⁺. Les cellules sodium-ion déplacent des ions sodium, notés Na⁺. Les ions sodium sont plus gros et interagissent différemment avec les matériaux des électrodes ; les cellules sodium-ion nécessitent donc des matériaux et des conceptions spécialement mis au point pour le sodium.
La plupart des cellules lithium-ion utilisent des électrodes négatives à base de graphite. Les cellules sodium-ion utilisent couramment du carbone dur. Les matériaux de l’électrode positive, la tension, la densité énergétique, le comportement thermique, le coût et les chaînes d’approvisionnement diffèrent également.
Le principe de fonctionnement est donc similaire, mais les caractéristiques obtenues peuvent être sensiblement différentes.
Pourquoi une partie de l’énergie devient de la chaleur
La recharge et la décharge ne sont pas parfaitement efficaces. Chaque cellule présente une résistance électrique et électrochimique ; une partie de l’énergie est donc convertie en chaleur.
La résistance et la production de chaleur dépendent notamment des facteurs suivants :
- Chimie et construction de la cellule
- Température de la batterie
- État de charge
- Courant de recharge ou de décharge
- Âge et état de la cellule
Un courant plus élevé produit normalement davantage de chaleur. Une température basse peut également augmenter la résistance et réduire la capacité de la batterie à se recharger ou à fournir de la puissance.
Ces effets expliquent pourquoi un véhicule électrique a besoin d’une gestion thermique et pourquoi la puissance de recharge, le freinage régénératif et l’accélération peuvent être limités lorsque la batterie est très froide, chaude, presque pleine ou presque vide.
Pour une présentation technique plus approfondie du fonctionnement des cellules lithium-ion, cette vidéo de The Limiting Factor offre une explication visuelle utile.