En hiver, l'un des plus gros problèmes pour les propriétaires de véhicules à énergies nouvelles est la réduction de l'autonomie après une charge complète ; les dispositifs de stockage d'énergie extérieurs peinent même à garantir une alimentation électrique de base.
Il ne s'agit pas d'un “ vieillissement ” de la batterie ni d'un problème de qualité, mais plutôt d'une “ réaction normale ” des batteries au lithium dans des environnements à basse température : les basses températures entraînent directement une dégradation de la capacité et une baisse des performances des batteries au lithium.
Pour comprendre le principe de la dégradation des batteries, commençons par comprendre brièvement le principe de fonctionnement d'une batterie au lithium.
La capacité d'une batterie au lithium à fournir de l'énergie repose essentiellement sur le “ processus de transport des ions lithium ” :
Lors de la charge, les ions lithium (Li⁺) migrent de l'électrode positive vers l'électrode négative, où ils sont stockés par cette dernière en graphite. Lors de la décharge, ces ions lithium retournent de l'électrode négative à l'électrode positive. Au cours de ce trajet, les électrons circulent, générant un courant électrique qui alimente l'appareil. Ce processus s'apparente à un réseau de porteurs qui effectuent des allers-retours constants pour transférer l'énergie, l'électrolyte servant de canal de transport et les électrodes de stations de transfert.“
Dans des conditions normales (température ambiante de 20 à 25 °C), ces porteurs sont pleinement actifs et fonctionnent sans à-coups, permettant à la batterie de fournir de l'énergie de manière stable. Cependant, dès que la température chute, notamment en dessous de 0 °C, les porteurs ralentissent, voire se bloquent, ce qui est la principale cause de la dégradation de la batterie.
Principes fondamentaux : Trois défis des batteries lithium-ion à basse température
Défi 1 : “ Gel ” des électrolytes, bloquant les canaux de transport
L'électrolyte constitue le “ canal de transport ” des ions lithium, comparable aux “ vaisseaux sanguins ” d'une batterie au lithium. Sa fluidité détermine directement la vitesse de migration des ions lithium. La viscosité de l'électrolyte augmente fortement lorsque la température diminue, tout comme l'eau s'épaissit et gèle par temps froid. À basse température, l'électrolyte devient visqueux, voire se solidifie partiellement, réduisant considérablement la vitesse de conduction ionique et pouvant même, dans certains cas, obstruer complètement les canaux.
C’est comme si une route large et lisse se transformait soudainement en chemin boueux ; les “ transporteurs ” (ions lithium) peinent à se déplacer, leur efficacité est fortement réduite et la production d’énergie de la batterie diminue naturellement.
Défi 2 : Les ions lithium deviennent paresseux, l’entrée et la sortie des stations de transfert deviennent difficiles
Les électrodes positive et négative d'une batterie au lithium fonctionnent comme des “ stations de transfert ” pour les ions lithium. Lors de la charge, les ions lithium s'insèrent dans l'électrode négative, et lors de la décharge, ils s'en extraient. Ce processus nécessite de surmonter une certaine résistance, communément appelée “ impédance de transfert de charge ”. Selon l'équation d'Arrhenius, plus la température est basse, plus la vitesse de réaction chimique est lente et plus l'efficacité d'insertion et d'extraction des ions lithium est faible, ce qui entraîne une augmentation significative de l'impédance de transfert de charge. En d'autres termes, les basses températures ralentissent les ions lithium ; même si les canaux ne sont pas complètement obstrués, ils hésitent à faire l'effort nécessaire pour entrer ou sortir de la “ station de transfert ”, empêchant ainsi certains ions lithium de participer au transfert d'énergie et réduisant la capacité de la batterie.
Défi 3 : Le film SEI “ s’épaissit ” et des “ dendrites dangereuses ” peuvent se développer.
Lors de la première charge d'une batterie au lithium, un film mince d'interface électrolyte solide (SEI) se forme à la surface de l'électrode négative. Ce film agit comme un bouclier protecteur, empêchant l'électrolyte de réagir avec l'électrode négative tout en permettant une circulation fluide des ions lithium, essentielle à la durée de vie de la batterie. Cependant, les basses températures peuvent endommager ce bouclier protecteur : d'une part, elles réduisent la stabilité du film SEI, provoquant la rupture de certains composants et augmentant la résistance au passage des ions lithium ; d'autre part, lors d'une charge à basse température, la vitesse d'insertion des ions lithium dans l'électrode négative est inférieure à la vitesse de dépôt, et l'excès d'ions lithium précipite sous forme de lithium métallique à la surface de l'électrode négative, formant des dendrites de lithium. Simultanément, les produits de la réaction entre le lithium et l'électrolyte se déposent sur le film SEI, l'épaississant et entravant davantage le transport des ions lithium. Plus dangereux encore, les dendrites de lithium continuent de croître et, une fois qu'elles percent le film SEI et le séparateur de la batterie, elles provoquent un court-circuit direct entre les électrodes positive et négative, entraînant une surchauffe, un gonflement, voire une combustion ou une explosion de la batterie. C'est la principale raison des risques liés à la charge à basse température. De plus, l'épaississement du film SEI est irréversible. Une utilisation prolongée à basse température réduit considérablement la durée de vie de la batterie : une batterie initialement capable de 1 000 cycles de charge/décharge peut n'en supporter qu'environ 500 après une utilisation prolongée à basse température, entrant prématurément dans sa phase de vieillissement.“
Distinction clé : Dégradation à basse température – Réversible ou irréversible ?
Beaucoup craignent qu'une décharge rapide de la batterie en hiver n'endommage irrémédiablement cette dernière. Il n'y a pas lieu de s'inquiéter outre mesure. La dégradation des batteries au lithium induite par les basses températures se divise en deux catégories : la dégradation réversible et la dégradation irréversible, qui sont très différentes.
La dégradation réversible est la plus courante. Elle est principalement due aux basses températures qui augmentent la viscosité de l'électrolyte, ralentissent la migration des ions lithium et accroissent la résistance au transfert de charge. Ce type de dégradation s'apparente à une “ hibernation ” : il suffit de ramener la batterie à température ambiante (20-25 °C) et de la laisser reposer un certain temps pour que l'électrolyte retrouve sa fluidité, que les ions lithium retrouvent leur activité et que la capacité et les performances de la batterie reviennent à la normale, sans incidence sur sa durée de vie.
La dégradation irréversible, quant à elle, est principalement due à des cycles de charge et de décharge prolongés à basse température, entraînant un épaississement excessif du film SEI, la formation de dendrites de lithium ou la décomposition irréversible de l'électrolyte. Ce type de dégradation est permanent, comme si la batterie était “ endommagée ”. Même après un retour à température ambiante, la capacité ne peut être entièrement restaurée et, à terme, le vieillissement de la batterie s'en trouve accéléré.
