Présentation
RÉSUMÉ
Le vieillissement des batteries est une problématique complexe dépendant de multiples facteurs, variables selon les matériaux et architectures utilisés. Avec le nombre croissant d’applications visant une perte d’autonomie inférieure à 20-30 % sur plus de 10 ans, limiter ce vieillissement représente un enjeu économique et écologique majeur. Diagnostiquer, ralentir et prédire le vieillissement d’une batterie est donc primordial. L’étude des mécanismes selon les conditions d’usage guide aujourd’hui le développement de stratégies de mitigation et de modèles de prédiction du vieillissement. Cet article détaille les principales causes de dégradation, les conséquences sur les composants internes et sur le comportement de la batterie Li-ion ainsi que les stratégies de mitigation du vieillissement.
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Lire l'articleAUTEUR(S)
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Lise DANIEL : Ingénieur de recherche, experte batteries et caractérisation des matériaux - Univ. Grenoble Alpes, CEA, Liten, DEHT, Grenoble, France
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Irina PROFATILOVA : Ingénieur chercheur, experte en batteries et piles à combustible - Univ. Grenoble Alpes, CEA, Liten, DEHT, Grenoble, France
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Sylvie GENIES : Directeur de recherche, experte en caractérisation des batteries - Univ. Grenoble Alpes, CEA, Liten, DEHT, Grenoble, France
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Olivier RACCURT : Directeur de recherche, expert matériaux pour l’énergie, durabilité et caractérisation - Univ. Grenoble Alpes, CEA, Liten, DEHT, Grenoble, France
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Justin BOUVET : Ingénieur chercheur, expert en caractérisation des batteries - Univ. Grenoble Alpes, CEA, Liten, DEHT, Grenoble, France
INTRODUCTION
Toute batterie est un système réversible de stockage et de conversion électrochimique de l’énergie basé sur des réactions d’oxydoréduction. Elle est constituée d’un ensemble d’accumulateurs, également appelés « cellules », connectés électriquement pour délivrer l’énergie et la puissance électrique au niveau de tension choisie. Une batterie dispose généralement d’un système électronique appelé « BMS » (Battery Management System) pour gérer les charges et décharges à partir de signaux de courant, tension et température. Au sein d’une batterie, chaque accumulateur lithium-ion comprend les composants internes suivants :
une électrode positive et une électrode négative qui toutes deux insèrent et désinsèrent les ions lithium ;
un électrolyte qui assure le transport des ions lithium ;
un séparateur qui assure l’isolation électrique entre les deux électrodes ;
une connectique pour assurer le passage des électrons entre circuit électrique et électrodes ;
un boîtier ou emballage pour garantir l’étanchéité, car les composés lithiés peuvent être instables avec l’eau et l’air.
Au cours du temps, sous l’effet d’une instabilité chimique ou électrochimique de ces composants et/ou d’une interaction avec l’environnement, on observe un vieillissement de la batterie, c’est-à-dire une diminution irréversible des performances (énergie, puissance) et donc de sa durée de vie. Le vieillissement des batteries dépend de nombreux facteurs et reste difficile à maîtriser. Toutefois, les enjeux économiques et environnementaux sont grands et des progrès sont recensés chaque année sur l’amélioration de la durée de vie des batteries .
Depuis la commercialisation des premiers accumulateurs Li-ion au début des années 1990 et surtout depuis une quinzaine d’années, le marché mondial des batteries connaît une très forte croissance d’environ 30 % par an avec le développement du transport électrique et du stockage d’énergie stationnaire nécessitant des volumes conséquents de batteries avec une grande capacité de stockage, le tout avec un fonctionnement en sécurité et présentant une grande durabilité. Pour répondre aux exigences de ces nouvelles applications, les technologies de batteries ont évolué. Trois générations de batteries...
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MOTS-CLÉS
vieillissement | Mécanismes réactionnels | multiphysique | batteries lithium-ion | hétérogénéités | multiéchelle
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CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
Compréhension et mitigation du vieillissement des batteries Li-ion
Mécanismes de dégradation
Sources bibliographiques
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