Selon des chercheurs de l’université de Warwick, au Royaume-Uni, les fabricants de batteries lithium-ion ont indiqué, pour protéger leurs produits, des puissances de recharge maximales en deçà de leurs véritables capacités technologiques, faute de véritablement pouvoir les tester efficacement dans des conditions plus intenses. La méthode développée par l’équipe de scientifiques a mis au jour qu’il serait possible de recharger en toute sécurité les cellules cylindriques 18650 à haute densité d’énergie jusqu’à 5 fois plus vite en appliquant un courant de recharge maximal 6,7 fois plus élevé que les préconisations des industriels. Ces conclusions publiées dans la revue Electrochimica Acta ouvrent de nouvelles perspectives pour les véhicules électriques, aussi bien pour diminuer les temps d’immobilisation aux bornes de recharge que pour récupérer davantage d’énergie aux freinages et décélérations.
18650
Chaque année, ce sont plusieurs milliards de cellules de type 18650 qui sont produites dans le monde. Elles équipent de nombreux appareils, dont les ordinateurs portables. Mais on les trouve également bien présentes dans l’univers de la mobilité branchée, en particulier pour constituer les batteries des deux-roues électriques. Tesla exploite également ce standard, dont le nom trahit les dimensions des accumulateurs (18 x 65 mm), pour ses Model S et Model X. A elle seule, cette dernière référence suffit à démontrer la fiabilité et la robustesse de cette technologie, confirmées par l’étendue de leur généralisation et leur histoire qui s’étend dans le temps.
5 fois plus rapide
Si l’on en croit les travaux des chercheurs de l’université de Warwick, la durée de recharge des cellules lithium-ion à haute densité d’énergie commercialisées est arbitrairement limitée par les spécifications des fabricants pour une raison simple : Il est compliqué de s’assurer que les profils thermiques et de tension spécifiques aux électrodes ne dépassent pas les limites de sécurité. « Jusqu’à présent, obtenir ces informations ne pouvait se faire sans altérer le fonctionnement de ces cellules », explique les scientifiques qui ont réussi à mettre au point une méthode pour obtenir ces données. Ce premier travail leur a permis de développer un protocole de recharge 5 fois plus rapide que celui préconisé par les fabricants des cellules cylindriques 18650 à haute densité d’énergie. Et ce : sans compromettre les limites de sécurité des cellules. Un résultat observé sur des éléments 3 Ah équipés d’une cathode nickel-cobalt-aluminium.
Capteur à fibre optique
Pour obtenir les précieuses informations manquantes, l’équipe a eu recours à une électrode de référence in situ, composée d’une feuille de lithium métallique enveloppée dans un matériau isolant, et couplée à un capteur de température à fibre optique. Ce montage « permet de mesurer le potentiel de chaque électrode, complété par les profils de températures internes et externes de la cellule », révèlent les chercheurs. « En plus de l’optimisation des performances et de la sécurité, la surveillance de la température interne de la cellule et de chaque potentiel d’électrode peut être un atout important lorsque l’on tente de réduire les effets du vieillissement et de détecter les effets des dégradations par l’observation du glissement de la tension de l’électrode négative au fur et à mesure que la cellule vieillit », poursuivent-ils. Les cellules cylindriques 18650 testées « ont été initialement cyclées avec des courants constants, qui ont été progressivement augmentés tout en observant les réponses de l’électrode thermique et de référence afin d’éviter l’emballement thermique et l’endommagement de l’électrode », détaillent-ils.
Paliers de recharge
En règle général, la recharge des batteries lithium-ion adopte, jusqu’à un peu plus de 80% de capacité retrouvée, une puissance constante. Grâce à leurs observations, les chercheurs de l’université de Warwick ont mis au jour que ce n’était pas le scénario idéal. « Comme le risque de dégradation des cellules augmente à un SoC plus élevé, le courant de recharge a été progressivement réduit par paliers en fonction du SoC et de la tension de fonctionnement », rapporte l’équipe qui ajoute avoir glissé entre deux paliers une pause de 30 secondes afin de « permettre la cinétique de réaction cellulaire, principalement la diffusion de Warburg » et « à la cellule de se reposer légèrement avant l’étape suivante ». Ce dernier point visait aussi à éliminer le risque d’atteindre prématurément les limites de tension.
Une température à surveiller
La limite de puissance de recharge est souvent conditionnée par l’élévation de la température due à l’effet Joule ainsi qu’à un certain nombre de réactions électrochimiques exothermiques survenant pendant le fonctionnement de la cellule. Les constructeurs de voitures et utilitaires électriques cherchent le plus souvent à y remédier en incluant dans les packs un système de refroidissement liquide ou par air pulsé. L’équipe de scientifiques a cependant pu établir que la température de l’enveloppe des cellules, prise pour référence par les industriels, est d’environ 5° C inférieure à celle du noyau interne. Cette dernière ne doit pas dépasser les 60° C, sous peine de provoquer un emballement thermique particulièrement spectaculaire et destructeur. Ce qui confirme une idée de départ des chercheurs : C’est de l’intérieur des accumulateurs que doivent provenir les données qui permettront avec le plus de fiabilité d’exploiter la technologie lithium-ion.
2C
Le taux de charge optimum révélé par l’expérimentation britannique est de 2C pour les cellules étudiées. Soit 6 Ampères, et 6,7 fois plus élevé que le courant maximal préconisé par le fabricant. Alors que ce dernier indique des temps de recharge d’environ 2h40 et 3h55 respectivement pour un SoC à 80 et 100%, les scientifiques ont obtenu une baisse en toute sécurité de ces durées, au pire, jusqu’à 34 minutes et 1h35 ! C’est sur la tranche de charge SoC 0-80% que le gain a été le plus élevé. « Nous prévoyons que notre travail servira de point de départ à une compréhension plus approfondie des cellules lithium-ion commerciales grâce au déploiement de divers systèmes de capteurs in situ. Cette compréhension permettra d’avancer dans la science des matériaux de ces batteries, ainsi que dans le génie thermique et l’ingénierie électrique de leur technologie », espèrent les chercheur britanniques qui imaginent déjà des application concrètes : « Ce travail pourrait aider à la conception de systèmes de stockage d’énergie pour des applications de haute performance telles que les courses automobiles et l’équilibrage des réseaux de distribution de l’électricité ».
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