Les bases de la batterie d’un véhicule électrique : comment les cellules stockent et libèrent l’énergie

Une batterie de véhicule électrique stocke l’énergie sous forme chimique. La recharge place ses cellules dans un état chimique de plus haute énergie. En roulant, les cellules libèrent cette énergie sous forme d’électricité, que l’électronique de puissance et les moteurs du véhicule convertissent en mouvement.

De la cellule au pack batterie

La cellule est la plus petite unité électrochimique complète d’une batterie. Une cellule lithium-ion ne fournit que quelques volts ; un véhicule électrique en relie donc plusieurs pour obtenir la tension et l’énergie nécessaires.

Les cellules peuvent être assemblées en modules, puis en un pack, ou intégrées directement au pack sans modules conventionnels. Le pack réunit les cellules et les équipements nécessaires pour les relier, les protéger et les gérer. Le chapitre Pack batterie et configuration traite des connexions électriques et de la construction du pack ; Formats de cellules présente les cellules cylindriques, prismatiques et de type poche.

Que contient une cellule ?

Dans une cellule lithium-ion conventionnelle, deux électrodes accueillent le lithium au sein de leurs matériaux actifs. L’électrode négative est généralement à base de graphite ; l’électrode positive utilise un composé contenant du lithium. Leur association contribue à déterminer la tension de la cellule et la quantité d’énergie qu’elle peut stocker.

La littérature sur les batteries appelle généralement l’électrode négative l’anode et l’électrode positive la cathode. Ces noms décrivent leur rôle pendant la décharge et sont habituellement conservés lorsqu’il est question de recharge.

Trois autres composants relient et séparent les électrodes :

• L’électrolyte transporte les ions entre elles. Les électrolytes liquides conventionnels contiennent un sel de lithium dissous dans des solvants organiques.
• Le séparateur est une membrane poreuse qui maintient les électrodes séparées tout en laissant passer les ions à travers l’électrolyte présent dans ses pores.
• Les collecteurs de courant sont des feuilles conductrices qui relient les matériaux actifs aux bornes de la cellule. Le cuivre est couramment utilisé du côté négatif et l’aluminium du côté positif. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Le chapitre Chimie et composants des cellules compare les matériaux des électrodes et les différentes conceptions d’électrolyte.

Comment fonctionnent la recharge et la décharge ?

Pendant la décharge, les ions lithium passent de l’électrode négative à l’électrode positive à travers l’électrolyte. Les électrons circulent de l’électrode négative vers l’électrode positive par le circuit externe et fournissent de l’énergie électrique au véhicule. L’électrolyte conduit les ions, mais bloque le passage des électrons, qui empruntent donc le circuit externe.

La recharge inverse le processus. Une source d’alimentation apporte des électrons à l’électrode négative et en retire de l’électrode positive. Les ions lithium retournent vers l’électrode négative à travers l’électrolyte, ce qui augmente l’énergie chimique stockée dans la cellule. DOE Explains: Batteries

Le freinage régénératif recharge la batterie avec de l’énergie récupérée lors du mouvement du véhicule : le moteur fonctionne comme un générateur et renvoie de l’énergie électrique par l’intermédiaire de l’électronique de puissance.

Les cellules lithium-ion et sodium-ion partagent ce principe de fonctionnement. L’illustration montre les ions lithium (Li⁺) et sodium (Na⁺) se déplaçant entre les électrodes. Les cellules sodium-ion utilisent des matériaux adaptés aux propriétés différentes du sodium. Annonce de la première génération de batteries sodium-ion (CATL, 2021)

Tension, courant, puissance et énergie

Les caractéristiques d’une batterie font appel à plusieurs grandeurs qui répondent à des questions différentes :

• La tension, mesurée en volts (V), est la différence de potentiel électrique entre deux points.
• Le courant, mesuré en ampères (A), est le débit de charges électriques.
• La capacité électrique, mesurée en ampères-heures (Ah), est la quantité de charge qu’une cellule ou une batterie peut fournir dans des conditions définies.
• La puissance, mesurée en kilowatts (kW), est le débit auquel l’énergie est fournie ou reçue.
• L’énergie, mesurée en kilowattheures (kWh), est la quantité fournie, reçue ou stockée.

Aux bornes en courant continu de la batterie :

Puissance (kW) = Tension (V) × Courant (A) ÷ 1 000

Par exemple, une batterie qui fournit une puissance constante de 20 kW pendant une demi-heure délivre :

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Il s’agit de l’énergie délivrée aux bornes de la batterie. L’énergie qui atteint les roues est inférieure, car l’électronique de puissance et le moteur présentent également des pertes. De même, l’énergie prélevée au chargeur dépasse l’augmentation de l’énergie stockée dans la batterie, car la recharge entraîne des pertes.

On peut calculer une valeur approximative de l’énergie nominale à partir de la capacité électrique :

Énergie (kWh) ≈ Tension nominale (V) × Capacité (Ah) ÷ 1 000

La valeur en Ah ne suffit donc pas pour comparer l’énergie de batteries de tensions différentes. Cette approximation utilise une tension représentative ; une mesure précise de l’énergie tient compte des variations de tension pendant la recharge ou la décharge.

État de charge et limites de fonctionnement

L’état de charge (SOC) exprime la charge restante estimée en pourcentage d’une capacité définie. Il est estimé à partir de mesures telles que le courant, la tension et la température. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Le pourcentage affiché dans un véhicule électrique correspond à la plage de fonctionnement accessible au conducteur. Les valeurs affichées de 0% et 100% ne sont pas les limites électrochimiques absolues de la cellule. Le chapitre Réserves de la batterie et capacité utilisable explique les capacités brute et nette (utilisable), ainsi que les réserves.

La tension d’une cellule varie selon le SOC, la chimie, la température et le courant. La tension nominale est une valeur de référence, pas une limite de recharge. Par exemple, Molicel indique une tension nominale de 3,6 V, une tension de recharge de 4,2 V et une tension de coupure en décharge de 2,5 V pour sa cellule INR-21700-P42A. D’autres conceptions de cellules peuvent employer des limites de tension différentes. Fiche technique Molicel INR-21700-P42A, version 1.7

Les limites de tension haute et basse n’ont pas le même effet sur la recharge et la conduite. À l’approche de la pleine charge, la puissance de recharge diminue pour maintenir les cellules sous leurs limites de tension haute. Lorsque la charge est faible, le véhicule peut réduire la puissance de propulsion afin de maintenir les tensions des cellules au-dessus de leurs limites basses. Le chapitre Recharge de la batterie explique comment les limites de recharge déterminent la puissance fournie au cours d’une session.

Le système de gestion de la batterie (BMS) surveille les tensions des cellules ou des groupes en parallèle, le courant de la batterie et les températures aux emplacements des capteurs. Il estime l’état de la batterie et coordonne avec le véhicule la recharge et la décharge autorisées afin de maintenir les cellules dans leurs limites de fonctionnement. Guide technique des systèmes de gestion de batterie Le chapitre Système de gestion de la batterie détaille ces fonctions.

Le rôle de la température et du courant

La résistance interne produit de la chaleur lorsque le courant circule. À résistance identique, doubler le courant multiplie par quatre l’échauffement résistif. Le froid peut augmenter la résistance et réduire la puissance disponible. Les réactions dans les cellules peuvent aussi absorber ou libérer de la chaleur. Cet effet réversible dépend de la chimie et de l’état de charge. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Les limites de température peuvent restreindre aussi bien la recharge que la propulsion. Le froid complique particulièrement la recharge des cellules lithium-ion à base de graphite, car le lithium peut se déposer à la surface de l’électrode (placage de lithium) au lieu de pénétrer dans sa structure. Les systèmes de commande du véhicule réduisent le courant de recharge et peuvent d’abord réchauffer la batterie.

Le freinage régénératif peut être limité par une batterie froide ou pleine, car ces deux conditions restreignent la puissance qu’elle peut accepter. Manuel du propriétaire de la Model 3 : freinage et arrêt Les systèmes de chauffage et de refroidissement contribuent à maintenir des conditions adaptées, comme l’explique le chapitre Gestion thermique de la batterie.

La vidéo ci-dessous de The Limiting Factor illustre le fonctionnement d’une cellule lithium-ion.