Le Fonctionnement des Batteries de Véhicules Électriques
Les véhicules électriques (VE) ont gagné en popularité en tant qu’alternative viable aux moyens de transport traditionnels, stimulés par des préoccupations de sécurité énergétique, la nécessité de lutter contre le changement climatique et une demande énergétique croissante. La batterie joue un rôle crucial dans l’adoption des VE, car elle détermine leur coût, leur autonomie et leur sécurité. La batterie d’un véhicule électrique (aussi appelée batterie pour véhicule électrique – BVE) est une batterie rechargeable utilisée pour alimenter les moteurs électriques d’un véhicule électrique à batterie (VEB) ou d’un véhicule hybride électrique (VHE).
Contrairement aux batteries de démarrage, d’éclairage et d’allumage (DEA), les batteries des voitures électriques sont conçues pour fournir de l’énergie sur de longues périodes et sont des batteries à cycle profond. Elles se caractérisent par un rapport puissance-poids élevé, une énergie spécifique et une densité énergétique ; des batteries plus petites et plus légères sont préférables car elles réduisent le poids du véhicule et améliorent ses performances. Les technologies de batteries antérieures ne répondaient pas aux spécifications requises, notamment en termes d’autonomie. Cependant, les récents développements dans la technologie des batteries au lithium-ion ont éliminé ces limitations. Aujourd’hui, les types de batteries les plus courants dans les véhicules électriques modernes sont les batteries au lithium-ion et au lithium-polymère, en raison de leur haute densité énergétique par rapport à leur poids.
Composition d’une Batterie de Véhicule Électrique
La composition d’une batterie de VE peut varier légèrement selon les types de véhicules électriques, mais en général, les batteries de VE sont composées de Cellules Électrochimiques. Une cellule électrique est essentiellement une source d’énergie électrique continue. Elle convertit l’énergie chimique stockée en énergie électrique par un processus électrochimique.
Modules de Batterie. Un module de batterie est un assemblage de cellules de batterie, qui est mis en cadre en combinant un nombre fixe de cellules pour protéger les cellules contre les vibrations, la chaleur ou les dangers externes. Un module de batterie comprend toujours de nombreuses cellules discrètes connectées en série et en parallèle pour atteindre les exigences totales de tension et de courant du module.
Pack de Batteries. La forme finale d’une batterie de véhicule électrique installée dans un véhicule électrique. La collecte des données des capteurs du pack et l’activation des relais du pack sont effectuées par l’unité de surveillance des batteries (BMU) ou le système de gestion des batteries (BMS) du pack.
Chimie de la Batterie de Voiture Électrique – Fonctionnement
Une batterie électrique convertit l’énergie chimique stockée directement en énergie électrique. Cette énergie chimique peut être stockée, par exemple, dans le Zn ou le Li, qui sont des métaux à haute énergie car ils ne sont pas stabilisés par des liaisons d’électrons d, contrairement aux métaux de transition. Le lithium est le métal le plus léger et possède une capacité spécifique élevée (3,86 Ah/g) et un potentiel d’électrode extrêmement bas (−3,04 V par rapport à l’électrode hydrogène standard), ce qui en fait un matériau d’anode idéal pour des batteries à haute tension et à haute énergie.
Lors de la décharge, le lithium est oxydé de Li à Li+ (état d’oxydation 0 à +1) dans l’anode en graphite de lithium à travers la réaction suivante : C6Li → 6
C(graphite) + Li+ + e−. Ces ions lithium migrent à travers le milieu électrolytique vers la cathode, où ils sont incorporés dans l’oxyde de cobalt de lithium à travers la réaction suivante, qui réduit le cobalt d’un état d’oxydation de +4 à +3 : CoO2 (s) + Li+ + e− → LiCoO2 (s).
Voici la réaction complète (de gauche à droite = décharge, de droite à gauche = charge) : C6Li + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2. Ces réactions peuvent être inversées pour recharger la cellule. Dans ce cas, les ions lithium quittent la cathode d’oxyde de cobalt de lithium et migrent vers l’anode, où ils sont réduits à nouveau en lithium neutre et réincorporés dans le réseau de graphite.
Tous les types de batteries utilisent le même principe de la réaction d’oxydoréduction. Dans une cellule électrochimique, des réactions d’oxydoréduction spontanées se produisent dans deux électrodes séparées par un électrolyte, qui est une substance conductrice ionique et électriquement isolante. La réaction d’oxydoréduction est une réaction chimique qui produit un changement dans les états d’oxydation des atomes impliqués. Les électrons sont transférés d’un élément à un autre. En conséquence, l’élément donneur, qui est l’anode, est oxydé (perd des électrons) et l’élément récepteur, la cathode, est réduit (gagne des électrons).
Par exemple, la cellule au lithium-ion est composée de deux électrodes de matériaux différents. La cathode est faite d’un matériau composite et définit le nom de la cellule de batterie Li-ion. Les matériaux de cathode sont généralement construits à partir de LiCoO2 ou LiMn2O4. Les matériaux d’anode sont traditionnellement construits à partir de graphite et d’autres matériaux carbonés. Le graphite est le matériau dominant en raison de sa basse tension et de ses excellentes performances. L’électrolyte peut être liquide, polymère (avec un gel polymère comme électrolyte) ou solide. Le séparateur est poreux pour permettre le transport des ions lithium et empêcher le court-circuit de la cellule et l’emballement thermique.
Pendant le processus de charge, les ions Li+ se déplacent de l’anode contenant du Li et passent à travers le séparateur imprégné d’électrolyte, finalement s’intercalant dans la structure hôte de l’anode. En conséquence, les électrons passent par le circuit externe dans la direction opposée. Pendant la décharge, les électrons circulent à travers le circuit externe à partir de l’électrode négative (anode) vers l’électrode positive (cathode). Les réactions pendant la décharge diminuent le potentiel chimique de la cellule, donc la décharge transfère l’énergie de la cellule vers l’endroit où le courant électrique dissipe son énergie, principalement dans le circuit externe. Pendant la charge, ces réactions et transports se déroulent dans la direction opposée.
Prochains Défis et Avenir des Batteries de Véhicules Électriques
Malgré les progrès dans la technologie des batteries au lithium-ion, plusieurs défis demeurent, le plus important étant le coût. De plus, des questions environnementales et de durabilité concernant l’extraction et le recyclage du lithium doivent être abordées. Néanmoins, l’avancement continu dans la recherche sur les matériaux de batterie et les technologies de gestion des batteries promet un avenir plus brillant et plus durable pour les véhicules électriques.
