Facteurs globaux de vieillissement

Les conditions de vie d’une batterie peuvent se diviser en deux parties distinctes : les charges/décharges et les stockages. Ces conditions correspondent à des modes de

1.2. LES BATTERIES LITHIUM-ION 31 Electrolyte Electrode + Electrode - Electron Electron Electron Electron Electrolyte + - Electron Electron Electron Electron

Batterie neuve Batterie âgée

Corrosion

Perte de capacité

Figure1.13 – Illustration des phénomènes de dégradation d’une batterie

vieillissement différents : calendaire et cyclique [50]. Le vieillissement calendaire cor- respond aux phénomènes et aux conséquences des stockages d’une batterie.

Au contraire, le vieillissement cyclique est associé à l’impact des périodes d’usages d’une batterie, appelées cycles (charges ou décharges).

1.2.4.1 Vieillissement calendaire

L’auto-décharge d’une batterie correspond à l’énergie perdue lors d’un stockage. Une partie est réversible et l’autre non, impliquant une perte de capacité, et une aug- mentation de la résistance. Le vieillissement calendaire est principalement défini par la proportion irréversible de la perte de capacité survenant lors d’un stockage d’une batterie. Le taux d’auto-décharge varie en grande proportion selon les conditions de stockage. Les effets générant la dégradation d’une batterie peuvent être accélérés ou ralentis en fonction de ces conditions.

De nombreuses études ont été menées notamment sur le vieillissement calendaire des cellules pour différents niveaux de température, et de SOC [51, 52]. Ces études mettent en avant les conditions de température comme étant la principale contrainte du vieillissement calendaire [53]. Lorsque les températures de stockages sont élevées, les réactions secondaires décrites précédemment et les dégradations sont facilitées ; la perte de lithium est également plus importante que pour des températures modérées, ce qui engendre une perte de capacité [54, 55]. À l’inverse, de faibles températures per- mettent de limiter le développement de ces phénomènes mais ces conditions induisent néanmoins des problèmes causés par la diminution de diffusion et altèrent la chimie de la batterie [56].

L’autre principale variable représentée dans les études du vieillissement calendaire est le niveau de charge (SOC) auquel la batterie est stockée. Pour des conditions de tem- pératures égales, mais pour différents niveaux de SOC, les cellules n’ont pas le même taux de vieillissement (figure 1.14), de plus fortes dégradations se produisant pour des SOC élevés [42]. Par définition, le SOC représente la proportion d’ions présents dans les électrodes. Cela implique directement, pour des niveaux de SOC extrêmes, un fort déséquilibre de potentiel à l’interface électrode/électrolyte, favorisant les réac- tions chimiques décrites précédemment.

32 CHAPITRE 1. CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE

Figure 1.14 – Évolution de la puissance de cellules stockées à des températures entre

20◦C et 60◦C, et avec des SOC entre 50 % et 100 % [57]

combinaison entre les SOC et les conditions de températures. Or, ces variables altèrent simultanément la batterie, chacune avec un effet non-linéaire avec le temps, indépen- damment ou non des autres variables. Les résultats des études menées évoquent un effet plus restrictif d’un haut niveau de SOC par rapport à une température élevée [57, 58]. Ces conclusions sont uniquement faites à partir de l’observation d’expérimen- tations menées et il demeure nécessaire de comprendre les effets de la combinaison de ces deux causes du vieillissement calendaire.

1.2.4.2 Vieillissement cyclique

Le vieillissement cyclique intervient, lui, lorsque la batterie est en charge ou en dé- charge. Il s’agit d’une conséquence directe du niveau et du mode d’Utilisation, et donc des températures et des sollicitations appliquées à la batterie. De nombreux facteurs sont impliqués dans ce type de vieillissement.

Lors de ces périodes, une batterie est sujette à des effets exothermiques [59] qui peuvent être privilégiés sous des températures élevées et provoquer un vieillissement prématuré. Il est cependant important de considérer également les effets des tempéra- tures basses. Des études rapportent un impact direct de la température ambiante sur le vieillissement d’une batterie, mais aucune ne se porte sur la température mesurée dans la batterie directement. Cette notion reste mal comprise et requiert des investigations plus approfondies.

Mis à part ces variables, les facteurs de vieillissement cyclique dépendent du mode de cyclage de la batterie. Un facteur récurrent dans la littérature est le ∆SOC, qui re- présente la variation de l’état de charge se produisant lors d’un cycle. Ce facteur est primordial car il correspond à la quantité de charge fournie (resp. accumulée) par la batterie durant une décharge (resp. une charge). Des expérimentations étudiant des cellules utilisées sous des températures et des SOC initiaux identiques, pour divers

∆SOC, ont démontré une perte de puissance de la batterie lorsque la valeur de ∆SOC

1.2. LES BATTERIES LITHIUM-ION 33 gradation de l’électrode positive et du développement de sa SEI, provoqués par les régimes élevés de charges ou de décharges.

Une autre variable impactant le vieillissement des batteries Li-ion est la tension de charge employée. Des charges sous haute tension impliquent une accélération des phé- nomènes de dégradation [60]. Afin d’illustrer cela, une étude montre que la durée de vie d’une batterie est réduite de moitié lorsque la tension de charge est augmentée de 0.1 V (figure 1.15). Notons que la tension de décharge influence également le processus de vieillissement à travers une augmentation de l’impédance de la batterie [61, 48].

Figure 1.15 – Évolution de la capacité en fonction de différentes tension de charges,

avec une température de 45◦C [62]

Enfin, les pics de courant demandés semblent être une notion impliquée dans les dégradations subies par une batterie. Un pic de courant important génère un haut niveau d’énergie fourni ou reçu par la batterie, ce qui peut provoquer une accélération du vieillissement. Cependant, cette variable n’a pas été étudiée précisément dans la littérature actuelle, car a-priori ponctuelle lors de conduite simples supposées par les constructeurs.

1.2.4.3 Conclusion des facteurs de vieillissement

L’ensemble des facteurs présentés impactent le vieillissement d’une batterie de ma- nière couplée pour générer à la fois une augmentation de la résistance et une perte de capacité. Notons que la plupart de ces facteurs sont dépendants des conditions externes. Dans le cadre d’une application concernant les transports, la température externe dépend du climat, tandis que le ∆SOC est, lui, une conséquence du comporte-

ment de l’utilisateur3. Le mode d’Utilisation de la batterie est très largement impliqué

dans les études de vieillissement. Cela peut se traduire par exemple par le niveau de température d’une batterie qui est dépendant du profil de vitesse appliqué ou bien selon le dénivelé de la route utilisée.

De nombreuses interactions entre diverses variables interviennent dans les proces- sus de dégradation, provenant à la fois de l’environnement et du mode d’Utilisation

34 CHAPITRE 1. CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE de la batterie [63, 64]. Toutes ces caractéristiques des phénomènes de vieillissement d’une batterie, font de l’analyse et de la compréhension du vieillissement un challenge important restant à être relevé.