Dégradation des Batteries Rechargeables due au Cyclage
Principes Fondamentaux des Batteries
Une batterie électrique est une source d’énergie électrique en courant continu. Elle convertit l’énergie chimique stockée en énergie électrique par un processus électrochimique, fournissant ainsi une force électromotrice pour permettre le flux de courants dans les circuits électriques et électroniques. Une batterie typique est composée d’une ou plusieurs cellules voltaïques. La base d’une cellule électrochimique réside dans les réactions redox spontanées entre deux électrodes, séparées par un électrolyte, une substance conductrice ionique et électriquement isolante.
Dégradation des Batteries Rechargeables
La dégradation des batteries rechargeables se produit à chaque cycle de charge-décharge. Cette dégradation survient généralement lorsque l’électrolyte migre loin des électrodes ou lorsque le matériau actif se détache des électrodes. La « durée de vie cyclique », mentionnée dans les fiches techniques des fabricants, spécifie la durée de vie en termes de nombre de cycles pour atteindre 80 % de la capacité nominale de la batterie.
Interface Électrolyte Solide (SEI) et Batteries Lithium-Ion
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 par des réactions entre les électrodes et l’électrolyte, formant un film qui entrave la réaction des ions lithium avec les électrodes. Avec l’épaississement de ce film, la cellule se dégrade.
Impact du Type de Batterie et des Conditions de Charge
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. La charge rapide augmente les changements de composants, raccourcissant la durée de vie de la batterie. La surcharge, due à un chargeur incapable de détecter la charge complète, peut endommager la batterie. La plupart des batteries lithium-ion 18650 modernes, courantes pour les batteries d’ordinateurs portables, ont une durée de vie typique de 300 à 500 cycles. Cette durée peut diminuer considérablement dans des situations de taux C élevé ou de DOD élevé, jusqu’à 200 cycles.
Facteurs de Stress et Dégradation Accélérée
En pratique, les cellules Li-ion subissent une dégradation accélérée due à des facteurs de stress tels que les DOD profonds, les taux C élevés, les températures élevées ou basses, et le fonctionnement à des SOC élevés. Ces facteurs ont un impact négatif sur la capacité de la cellule et causent une dégradation accélérée.
Température et Dégradation
La dégradation est fortement dépendante de la température : la dégradation à température ambiante est minimale 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, surtout à forts courants. Des températures élevées pendant la charge peuvent entraîner une dégradation de la batterie, et la charge à des températures supérieures à 45 °C dégradera les performances de la batterie. Les grands packs de batteries, tels que ceux utilisés dans les véhicules électriques, sont généralement équipés de systèmes de gestion thermique qui maintiennent une température entre 15 °C et 35 °C.
Taux C, DOD et Autres Caractéristiques
Un taux C élevé génère plus de chaleur et augmente la température de la cellule, invoquant des mécanismes de dégradation à haute température. Le taux C réduit la durée de vie utilisable et la capacité d’une batterie. Pour les batteries lithium-ion, la durée de vie d’un cycle dépend fortement du DOD. La perte d’ions lithium et de matériau d’électrode actif est plus élevée pour les cycles de DOD plus importants. À des DOD élevés, des mécanismes de dégradation supplémentaires peuvent survenir, entraînant la décomposition et la dissolution du matériau de cathode et la dégradation de la capacité.
