Dégradation des Batteries Lithium-Ion en Raison du Cyclage
Les batteries lithium-ion, connues sous le nom de batteries Li-ion, sont des batteries secondaires (rechargeables) composées de cellules où les ions lithium se déplacent de l’anode à travers un électrolyte vers la cathode lors de la décharge, et inversement lors de la charge. La cathode, composée d’un matériau composite (un composé lithium intercalé), définit le type de cellule de la batterie Li-ion. L’anode est généralement faite de graphite lithié poreux. L’électrolyte peut être liquide, polymère ou solide, et le séparateur, poreux, permet le transport des ions lithium tout en prévenant les courts-circuits et l’emballement thermique.
Les caractéristiques de chimie, de performance, de coût et de sécurité varient selon les types de batteries lithium-ion. Les appareils électroniques portables utilisent principalement des batteries lithium-polymère, avec un gel polymère comme électrolyte, une cathode en oxyde de cobalt lithium (LiCoO2) et une anode en graphite, offrant une densité énergétique élevée. Les batteries Li-ion ont en général une grande densité énergétique, aucun effet mémoire et une faible autodécharge.
Le type de cellule le plus commun est la batterie 18650, utilisée dans de nombreux ordinateurs portables, outils électriques sans fil, certains véhicules électriques, trottinettes électriques, la plupart des vélos électriques, les banques d’alimentation portables et les lampes de poche LED. La tension nominale est de 3,7 V. Il est important de distinguer les batteries primaires lithium non rechargeables (telles que les piles bouton CR2032 3V) des batteries secondaires lithium-ion ou lithium-polymère rechargeables.
Cause de la Dégradation des Batteries Lithium-Ion
Chaque cycle de charge-décharge entraîne une certaine dégradation des batteries rechargeables. Cette dégradation survient souvent parce que l’électrolyte migre loin des électrodes ou parce que le matériau actif se détache des électrodes. Les fiches techniques des fabricants utilisent généralement le terme « durée de vie cyclique » pour spécifier la durée de vie en termes de nombre de cycles jusqu’à atteindre 80% de la capacité nominale de la batterie.
Dans les batteries lithium-ion, la dégradation et la perte de capacité sont généralement attribuées à la croissance de l’interface électrolyte solide (SEI). Cette interface est créée à cause des réactions entre les électrodes et l’électrolyte. Ces réactions forment un film qui empêche les ions lithium de réagir avec les électrodes, et à mesure que ce film s’épaissit, la cellule se dégrade.
Les batteries NiMH de faible capacité (1 700-2 000 mA·h) peuvent être chargées environ 1 000 fois, tandis que celles de haute capacité (plus de 2 500 mA·h) durent environ 500 cycles. Les batteries NiCd sont généralement évaluées pour 1 000 cycles avant que leur résistance interne n’augmente de façon permanente au-delà des valeurs utilisables. La charge rapide accroît les changements de composants, raccourcissant la durée de vie de la batterie. Si un chargeur ne peut pas détecter quand la batterie est complètement chargée, la surcharge peut causer des dommages.
La plupart des batteries lithium-ion 18650 modernes, courantes pour les ordinateurs portables, ont une durée de vie cyclique typique de 300 à 500 cycles. Dans les situations de taux de charge (C-rate) élevé ou de profondeur de décharge (DOD) élevée, cela peut diminuer considérablement à 200 cycles. Dans les applications réelles, les cellules Li-ion subissent une dégradation accélérée en raison de certains facteurs de stress.
Facteurs de Stress Affectant les Batteries Lithium-Ion
Les facteurs de stress tels que les DOD profonds, les taux de charge élevés (C-rates), les températures élevées ou basses, et le fonctionnement à des niveaux de charge élevés (SOC) peuvent avoir un impact négatif sur la capacité de la cellule et provoquer une dégradation accélérée.
Température. La dégradation est fortement dépendante de la température : elle est minimale à température ambiante mais augmente pour les batteries stockées ou utilisées dans des environnements chauds ou froids. Les batteries génèrent de la chaleur lorsqu’elles sont chargées ou déchargées, en particulier à des courants élevés. Des températures élevées pendant la charge peuvent entraîner une dégradation de la batterie, et charger à des températures supérieures à 45 °C dégradera les performances de la batterie.
Taux de Charge Élevé (C-rate). Des C-rates élevés génèrent plus de chaleur et augmentent la température de la cellule, invoquant ainsi les mécanismes de dégradation à haute température. Un C-rate élevé réduit la durée de vie et la capacité utilisable d’une batterie.
Profondeur de Décharge (DOD). Pour les batteries lithium-ion, la durée de vie cyclique d’une cellule dépend fortement du DOD. La perte d’ions lithium et de matériau d’électrode actif est plus importante pour les cycles de DOD plus grands. À des DOD élevés, des mécanismes de dégradation supplémentaires peuvent se produire, entraînant la décomposition et la dissolution du matériau de la cathode et une diminution de la capacité.
