Causes de dégradation de la batterie

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Parmi une grande variété de batteries, chaque type de cellule et sous-espèce d’appareil présente une vulnérabilité unique à la dégradation, influencée par l’utilisation et d’autres facteurs. Certaines cellules prospèrent à basse température, d’autres excellent aux courants élevés. Toutefois, une telle spécialisation a souvent un coût.

Le vieillissement de la batterie est soit lié au temps (en cas de vieillissement calendaire ou « calendaire »), soit à l'usage, la charge et la décharge représentant un vieillissement « cyclique ».

Les deux formes de vieillissement contribuent à la diminution de la capacité et de l’efficacité et à l’augmentation de la résistance interne à mesure que les ions sont définitivement piégés dans des réactions secondaires désagréables. Ces réactions sont motivées par divers « facteurs d’influence ». Généralement, les ions réagissent de manière irréversible avec d’autres matériaux de la cellule, formant des résidus passifs et empêchant leur utilisation pour le transport d’énergie.

Les facteurs d'influence courants – dont l'impact varie selon le type de cellule – incluent la température des cellules de la batterie ; état de charge de l'appareil (SOC) ; et le courant, ou la puissance, utilisé pendant la charge et la décharge. Concernant l’état de charge – la quantité de charge, ou d’énergie, dans une batterie – le SOC inactif est important lorsqu’une batterie n’est pas utilisée et la fenêtre SOC (la plage dans laquelle le cycle se produit) est pertinente lorsqu’un appareil est en cycle.

Les contraintes mécaniques, telles que les vibrations et la pression, sont un autre facteur qui influence la dégradation de la batterie, mais nous nous concentrerons pour l'instant sur les trois facteurs ci-dessus.

Température

La température joue un rôle central dans la durée de vie de la batterie. La plupart des produits chimiques cellulaires bénéficient d'un stockage et d'une mise au repos à basse température, inférieure à 20 °C, car cela ralentit le vieillissement calendaire en réduisant le risque de réactions secondaires. Le fait de tourner au ralenti à des températures plus élevées peut augmenter considérablement le taux de dégradation.

À l’inverse, la plupart des technologies cellulaires sont très sensibles au fonctionnement à basse température, ce qui pose un dilemme. Avec une température supérieure à 30 °C à 40 °C qui n'est pas optimale, la température idéale pour le fonctionnement des cellules de batterie se situe entre 15 °C et 25 °C, pour la plupart des produits chimiques. Les batteries plus récentes à base de nickel-manganèse-cobalt (NMC) sont très sensibles à la charge à basse température et des défauts dangereux peuvent survenir si la charge est inférieure à 10 °C. Dans le graphique de gauche, trois cellules NMC de haute qualité du même type sont représentées. , le taux de dégradation est légèrement amélioré en réduisant la température de fonctionnement de 10 C, de 25 C (la ligne orange) à 15 C (la ligne violette). Cependant, une baisse de 10 °C (ligne bleue) ferait planter la batterie presque immédiatement.

Placage au lithium

Les batteries lithium-ion (li-ion) sont généralement sûres, mais dans certaines conditions – à des températures froides, sous un courant élevé ou avec une électrode hôte déjà bien remplie – elles peuvent subir un placage au lithium. L'exemple ci-dessus montre l'impact du placage à basse température. Le placage est une forme de résidu qui se produit lorsque les ions lithium forment des dépôts métalliques à l'intérieur des cellules de la batterie. Au fil du temps, ce processus peut s’accumuler et éventuellement conduire à des courts-circuits internes susceptibles de déclencher un emballement thermique – un dégagement rapide et dangereux de chaleur et de gaz.

SOC

L’état de charge a un impact considérable sur la durée de vie de la batterie. Le SOC inactif, pendant la non-utilisation (qui concerne le vieillissement calendaire), et la plage ou la fenêtre du SOC pendant le fonctionnement (vieillissement cyclique) sont importants. L'exemple suivant montre deux cellules NMC identiques.

Le graphique ci-dessous montre l'évolution de la dégradation de deux cas d'utilisation presque identiques de cellules NMC de haute qualité.

Les deux n'utilisent qu'environ 50 % de la batterie, et le premier cas d'utilisation (la ligne bleue) le fait dans la moitié supérieure du SOC, commençant complètement chargé et tombant à 50 % avant d'être à nouveau complètement chargé. Le deuxième cas d'utilisation (en orange) commence à 50 % chargé et se termine pratiquement vide. Comme le montrent les graphiques, l’impact sur la dégradation est incroyable : la batterie orange durera deux à trois fois plus longtemps que la bleue, réduisant ainsi le coût total de possession de plus de moitié.

Il convient toutefois de souligner qu’il s’agit d’un exemple d’un type de cellule particulier et que d’autres appareils et cellules peuvent se comporter complètement différemment. En règle générale, éviter un SOC supérieur à 90 % et inférieur à 10 % prolonge généralement la durée de vie de la batterie, mais il existe des exceptions.