Comment fonctionnent les batteries au lithium-ion

De nombreux professionnels du secteur de la construction comprennent les principes de base du fonctionnement des moteurs à combustion interne, mais qu'en est-il des batteries utilisées pour alimenter l'équipement de construction électrique ? C'est le moment idéal pour apprendre, car les machines électriques à batterie sont de plus en plus courantes sur les chantiers.

La plupart des véhicules électriques, comme les voitures et les machines électriques Volvo, utilisent des batteries au lithium-ion, qui sont des batteries rechargeables également utilisées dans les appareils électroniques tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables, etc. On les appelle « lithium-ion » car les ions lithium se déplacent entre deux électrodes pendant les cycles de charge et de décharge afin de stocker et de libérer de l'énergie.

Examinons de plus près la composition d'une batterie au lithium-ion et le fonctionnement de ses composants internes.

LES COMPOSANTS D'UNE BATTERIE AU LITHIUM-ION

Tout d'abord, l'électricité ne peut être capturée ni stockée. Elle doit être convertie en une autre forme d'énergie (par exemple, l'énergie chimique) qui peut ensuite être stockée.

Les batteries sont comme des réservoirs de carburant : elles ne produisent pas d'énergie, mais la stockent. Dans un moteur à combustion interne, les liaisons énergétiques entre les molécules d'essence ou de diesel sont rompues et converties en chaleur, qui à son tour se transforme en énergie mécanique nécessaire pour l'entraînement du piston à l'intérieur du moteur. De même, les batteries stockent l'électricité provenant du réseau électrique sous forme d'énergie chimique, puis la restituent pour fournir de l'électricité lorsque c'est nécessaire.

Les batteries au lithium-ion contiennent quatre composants principaux :

1. Anode (-)
2. Cathode (+)
3. Électrolyte
4. Séparateur

Une batterie doit être branchée à un circuit externe (par exemple, une machine électrique ou un téléphone portable) pour absorber et libérer de l'énergie. Les électrons sont l'énergie qui fournit la puissance. Ils se déplacent de l'anode vers la cathode en passant par le circuit externe, tandis que les ions lithium restent à l'intérieur de la batterie et se déplacent à travers l'électrolyte vers l'autre côté. Nous reviendrons sur ce point plus en détail dans un instant.

Tout d'abord, que sont les anodes, les cathodes, les séparateurs et les électrolytes ? Voyons cela de plus près :

• L'anode (l'extrémité négative) est le « donneur » dans la batterie. Elle libère ou « donne » des électrons et des ions lithium à la cathode pendant la décharge, puis les reprend pendant la charge. Les anodes sont généralement fabriquées en graphite de carbone, car celui-ci organise et stocke le lithium dans un état optimisé.
• La cathode (l'extrémité positive) est le « récepteur » de la batterie. Elle reçoit des ions lithium pendant la décharge, puis les libère pendant la charge. Les cathodes sont généralement composées d'oxydes métalliques [par exemple, NMC (oxyde de nickel, manganèse et cobalt), NCA (nickel, cobalt et aluminium) ou LFP (lithium, fer et phosphate)] qui ont tendance à prendre les électrons disponibles.
• L'électrolyte est une solution chimique (par exemple un liquide) située entre l'anode et la cathode qui permet le transfert des ions lithium entre l'anode et la cathode et vice-versa.
• Le séparateur est non conducteur, semi-perméable et sépare l'anode et la cathode. Il permet uniquement aux ions lithium de passer à travers et empêche les électrons de faire de même. Les électrons prennent un chemin différent pour atteindre l'autre côté (via le circuit externe qui alimente une machine ou un appareil). Cette perméabilité sélective est cruciale pour le fonctionnement et la sécurité de la batterie, car elle empêche les courts-circuits et garantit un stockage et une libération efficaces de l'énergie.
  • Remarque : le séparateur empêche les réactions chimiques à l'intérieur d'une batterie au lithium-ion de devenir incontrôlables. C'est pourquoi on vous demande toujours de ne pas effectuer de contrôle sur les batteries au lithium dans un avion.

POURQUOI LE LITHIUM EST UTILISÉ DANS LA PLUPART DES BATTERIES RECHARGEABLES

Le lithium est populaire car il est extrêmement réactif et peut stocker beaucoup d'énergie. Cette réactivité permet aux batteries au lithium-ion d'être petites et légères, tout en étant puissantes, ce qui est idéal pour les appareils électroniques portables et les véhicules électriques.

Sur le tableau périodique des éléments, vous remarquerez que le lithium est le numéro 3, ce qui signifie qu'il possède trois protons (+) dans son noyau et trois électrons (-) disposés en deux « couches » autour du noyau. Cette disposition des électrons est la clé. 

La première couche contient deux électrons, tandis que la deuxième couche, plus éloignée, en contient un seul. Cet électron unique dans la couche externe rend le lithium très réactif, car il cherche à perdre cet électron afin d'atteindre une configuration plus stable.

Lorsque le lithium perd son électron, les particules subatomiques restantes deviennent ce qu'on appelle un ion. Un ion est simplement un atome qui possède une charge électrique parce qu'il a soit gagné des électrons, ce qui le rend chargé négativement, soit perdu des électrons, ce qui le rend chargé positivement. Dans ce cas, le lithium perd un électron et devient un ion lithium chargé positivement. C'est de là que les batteries au lithium-ion tirent leur nom.

Alors, où vont ces électrons perdus et ces ions lithium nouvellement formés ?

COMMENT FONCTIONNENT LES BATTERIES AU LITHIUM-ION

Pour expliquer ce qui se passe, nous allons utiliser comme exemple la configuration de batterie NMC (oxyde de nickel, manganèse et cobalt) d'une machine électrique :

• Pour commencer, une batterie est complètement chargée et n'est pas connectée à une machine. Le transfert de molécules qui crée de l'énergie de l'anode vers la cathode ne peut commencer qu'une fois qu'elles sont connectées via un circuit, c'est-à-dire lorsque la batterie est allumée et que la machine est utilisée.
• Lorsque la batterie se décharge pendant son utilisation, les ions lithium se déplacent de l'anode (côté négatif) vers la cathode. Rappelez-vous que la cathode veut des électrons, et que le lithium dans l'anode veut les céder. Ce flux d'électrons de l'anode vers la cathode est forcé de passer à travers le circuit de la machine pour l'alimenter. Les électrons facilitent le transfert d'énergie de la batterie vers la machine, mais ils ne sont pas consommés eux-mêmes.
• Pour aider à acheminer les électrons vers la cathode, une couche d'aluminium conductrice est ajoutée à ce côté.
• Les électrons qui se déplacent vers le côté positif de la batterie commencent à accumuler une charge négative dans la cathode - et les électrons, qui sont négatifs, n'aiment pas se déplacer vers un environnement négatif. N'oubliez pas que les contraires s'attirent. Pour que la réaction se poursuive, l'anode libère simultanément des ions lithium positifs vers la cathode à travers l'électrolyte à l'intérieur de la batterie.

Une fois que la majeure partie du lithium s'est déplacée de l'anode vers la cathode pendant la décharge, la batterie est vide.

DÉCHARGE : LES IONS LITHIUM ET LES ÉLECTRONS SE DÉPLACENT DE L'ANODE VERS LA CATHODE
CHARGE : LES IONS LITHIUM ET LES ÉLECTRONS SE DÉPLACENT DE LA CATHODE VERS L'ANODE

• Ensuite, lorsque vous branchez l'appareil à une source d'alimentation externe pour le recharger, les électrons du côté de la cathode sont renvoyés vers le côté de l'anode, d'où ils sont partis. En conséquence, les ions lithium traversent à nouveau l'électrolyte et le séparateur pour retourner à l'anode, créant ainsi un système équilibré. Ce qui se passe pendant la charge de la machine est simplement l'inverse de ce qui se passe pendant la décharge.
• Pour aider à ramener les électrons vers l'anode, une couche de cuivre conductrice est ajoutée à ce côté.
• Ce sont ces réactions opposées qui rendent les batteries au lithium-ion rechargeables.

Cependant, au fil du temps, la nature irréversible du processus peut modifier la composition chimique et la structure des matériaux de la batterie, ce qui, à son tour, peut réduire la durée de vie et les performances de celle-ci.

POURQUOI NOUS UTILISONS DES BATTERIES AU LITHIUM-ION NMC CHEZ VOLVO

Il convient également de noter que les différents types de batteries au lithium-ion présentent des compositions chimiques légèrement différentes. Cependant, elles reposent toutes sur le mouvement des électrons et des ions lithium entre les électrodes pour stocker et libérer de l'énergie.

Les types de batteries les plus courants sont les batteries au plomb-acide, au nickel et au lithium-ion. Il existe quelques types différents de batteries au lithium-ion, en fonction du matériau à partir duquel elles sont fabriquées. Chez Volvo, nous utilisons actuellement des NMC (oxydes de nickel, manganèse et cobalt) car ils :

• ont la plus grande maturité technologique
• sont actuellement les plus faciles à fabriquer
• ont une densité énergétique élevée
• offrent une longue durée de vie à la batterie
• sont une option plus sûre par rapport à certaines autres configuration
• peuvent être recyclés

Les batteries au lithium-ion sont supérieures aux batteries au plomb-acide car elles :

• ont une densité énergétique trois fois supérieure
• doublent la durée de vie de la batterie
• ont systématiquement des performances supérieures dans les applications à haute température
• se chargent rapidement
• n'ont aucun effet mémoire et ne nécessitent aucun entretien

Parmi les batteries au lithium-ion, les batteries NMC offrent de meilleures capacités de charge rapide, de meilleures performances par temps froid et une densité énergétique plus élevée que les batteries LFP.

CONSEILS DE CHARGE POUR LES BATTERIES AU LITHIUM-ION DANS UN ÉQUIPEMENT DE CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE

Si vous possédez des équipements électriques lourds, voici quelques conseils pour vous aider à disposer d'une puissance suffisante lorsque vous en avez besoin et pour limiter la dégradation de la batterie au fil du temps :

• Maintenez la machine électrique à environ 90 % de son état de charge et évitez de la recharger trop souvent à 100 %.
• Évitez de laisser la batterie se décharger trop profondément. Si possible, ne laissez pas votre batterie se décharger complètement jusqu'à 0 %.
• Si vous ne comptez pas utiliser votre machine électrique pendant une période prolongée, maintenez-la à environ 40-50 % de sa charge (une batterie complètement chargée présente un taux d'autodécharge plus élevé).
• Essayez d'utiliser un chargeur lent CA au moins une fois par semaine et laissez le système de gestion des batteries (BMS) équilibrer les packs de batteries.
• Programmez la température de votre machine à l'avance, particulièrement pendant les froides journées d'hiver. Cela peut impliquer de réchauffer le pack batteries ou la machine pour atteindre une plage de températures appropriée, afin d'améliorer l'efficacité du processus de recharge. Grâce au préconditionnement, la température interne de la batterie est amenée à un niveau idéal, ce qui permet une recharge plus efficace et prolonge potentiellement la durée de vie globale de la batterie.

Notez que pour l'équipement électrique Volvo, la fenêtre SOC est comprise entre 10 % et 90 %, contrairement aux voitures où la fenêtre SOC est plus large. Une machine électrique affichant un SOC de 0 % correspond en réalité à 10 % pour la batterie, et un SOC de 100 % correspond en réalité à 90 %.

Nous reconnaissons que tout cela peut encore sembler un peu compliqué, mais cela s'explique en grande partie par le fait que ce domaine est encore relativement nouveau dans notre secteur. Imaginez à quel point il peut être déroutant pour un novice d'apprendre comment fonctionne un moteur à combustion interne. Avec le temps et l'expérience, cependant, tout commence à faire sens, et ce sera également le cas ici.

Si vous souhaitez découvrir les performances des machines électriques, contactez votre concessionnaire Volvo local. Il peut vous accompagner ou même utiliser une machine afin que vous compreniez mieux comment elles offrent la même puissance et les mêmes performances que les modèles diesel comparables.