Comment fonctionnent les batteries au lithium-ion

De nombreuses personnes dans le secteur de la construction comprennent le fonctionnement de base des moteurs à combustion interne, mais qu'en est-il des batteries utilisées pour alimenter l'équipement de construction électrique? Le moment est idéal pour l'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. Ce sont des batteries rechargeables également utilisées dans les appareils électroniques comme les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et bien plus. On les appelle « lithium-ion » parce que les ions lithium se déplacent entre deux électrodes pendant les cycles de charge et de décharge pour stocker et 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 pas être captée et stockée directement. Elle doit être convertie sous 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 au sein des molécules d'essence ou de diesel sont brisées et converties en chaleur, qui se transforme à son tour en énergie mécanique nécessaire pour actionner le piston à l'intérieur du moteur. De même, les batteries stockent l'électricité du réseau sous forme de potentiel chimique, puis déchargent cette énergie pour fournir de l'électricité au moment opportun.

Les batteries au lithium-ion comportent quatre composants principaux :

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

Une batterie doit être connectée à un circuit externe (par exemple, une machine électrique ou un téléphone mobile) pour absorber et libérer de l'énergie. Les électrons constituent 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 traversent l'électrolyte vers l'autre côté. Nous y reviendrons plus en détail dans un instant.

Tout d'abord, que sont les anodes, cathodes, séparateurs et 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 constituées de graphite de carbone, car il organise et stocke le lithium de façon optimale.
• La cathode (l'extrémité positive) est le « récepteur » de la batterie. Elle reçoit les ions lithium pendant la décharge, puis les libère pendant la charge. Les cathodes sont généralement constituées d'oxydes métalliques [p. ex., NMC (oxyde de nickel, de manganèse et de cobalt), NCA (nickel, cobalt et aluminium) ou LFP (lithium, fer et phosphate)] prêts à capter les électrons disponibles.
• L'électrolyte est une solution chimique (p. ex., un liquide) située entre l'anode et la cathode qui permet aux ions lithium d'effectuer des allers-retours entre l'anode et la cathode.
• Le séparateur est non conducteur, semi-perméable et sépare l'anode et la cathode. Il laisse passer uniquement les ions lithium et empêche les électrons de faire de même. Les électrons empruntent un chemin différent pour atteindre l'autre côté (en passant par le circuit externe qui alimente une machine ou un appareil). Cette perméabilité sélective est essentielle au fonctionnement et à la sécurité de la batterie, car elle prévient les courts-circuits et assure un stockage ainsi qu'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 mettre les batteries au lithium dans vos bagages enregistrés en avion.

POURQUOI LE LITHIUM EST UTILISÉ DANS LA PLUPART DES BATTERIES RECHARGEABLES

Le lithium est très prisé parce qu'il est extrêmement réactif et peut stocker une grande quantité d'énergie. Cette réactivité permet aux batteries au lithium-ion d'être compactes et légères, tout en restant puissantes, ce qui est idéal pour les appareils électroniques portables et les véhicules électriques.

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

La première couche contient deux électrons; plus à l'extérieur, la deuxième couche n'en contient qu'un seul. Cet électron unique sur la couche externe rend le lithium hautement réactif, car il cherche à perdre cet électron pour atteindre une configuration plus stable.

Lorsque le lithium perd son électron, les particules subatomiques restantes forment 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.

Où vont donc ces électrons perdus et ces ions lithium nouvellement formés?

COMMENT FONCTIONNENT LES BATTERIES AU LITHIUM-ION

Pour expliquer ce phénomène, nous utiliserons comme exemple la configuration d'une batterie NMC (oxyde de nickel, de manganèse et de cobalt) sur 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 à la cathode ne peut pas commencer tant qu'elles ne sont pas reliées par un circuit, dans ce cas, lorsque la batterie est allumée et que la machine est utilisée.
• Pendant que la batterie se décharge lors de l'utilisation, les ions lithium se déplacent de l'anode (côté négatif) vers la cathode. N'oubliez pas que la cathode cherche à capter des électrons et que le lithium dans l'anode cherche à les donner. Ce flux d'électrons de l'anode vers la cathode est forcé à travers les circuits de la machine pour l'alimenter. Les électrons facilitent le transfert d'énergie de la batterie vers la machine, mais ne sont pas eux-mêmes consommés.
• Pour aider à acheminer les électrons vers la cathode, une couche conductrice d'aluminium est ajoutée de ce côté.
• Les électrons qui se déplacent vers le côté positif de la batterie commencent à accumuler une charge négative dans la cathode, or les électrons, étant négatifs, ont tendance à repousser un environnement négatif. Rappelez-vous que les contraires s'attirent : pour maintenir la réaction active, 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 est passée de l'anode à la cathode pendant la décharge, la batterie est déchargée.

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.