Guide ultime du vieillissement de la batterie

C'est une priorité pour de nombreux fournisseurs de services de transport et d'énergie d'assurer la longévité et les performances optimales de leurs batteries. En comprenant mieux le vieillissement des batteries, nous pouvons apprendre à prolonger la durée de vie des batteries.

Article de | Intelligence de batterie ACCURE

Cet article présentera de nombreux nouveaux termes concernant le vieillissement des batteries lithium-ion. Parce que tout le monde n'est pas un expert en batterie, laissez-moi vous expliquer quelques termes fondamentaux pour nous aider à aborder le sujet du vieillissement de la batterie :

Terme clé

Définition

Le vieillissement de la batterie est très complexe, non linéaire et influencé par de nombreux paramètres. On peut observer par exemple que les batteries vieillissent même si elles ne sont pas utilisées. Mais, en général, les batteries vieillissent plus vite si elles sont utilisées. Pour gérer la complexité, il est courant de scinder le vieillissement en trois tranches : vieillissement calendrique, cyclique et réversible :

Lorsque les batteries vieillissent, différents mécanismes de vieillissement se produisent simultanément. Chaque mécanisme de vieillissement a un impact sur le comportement de la batterie. L'impact peut être décomposé en deux paramètres de performance : la capacité et la résistance interne.

Les batteries perdent de leur capacité lorsqu'elles vieillissent. Pour un véhicule électrique, la perte de capacité signifie que le VE ne peut pas rouler aussi loin qu'avant sans s'arrêter pour se recharger. Et pour le stockage d'énergie stationnaire, cela signifie que la batterie peut stocker moins d'énergie et donc générer moins de revenus. La vitesse à laquelle la capacité diminue dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment le type de batterie, les taux de charge et de décharge, les températures auxquelles elle est exposée et le nombre de cycles qu'elle a subis.

En ce qui concerne le vieillissement d'une batterie lithium-ion, la tendance au vieillissement peut être grossièrement divisée en trois phases, comme illustré à la figure 1 :

Figure 1 : Vieillissement de la batterie - Cycle de vie typique de la capacité de la batterie‍

Contrairement à la perte de capacité, la résistance interne d'une batterie augmente avec le temps, ce qui entraîne à l'inverse une réduction de puissance. Ceci est particulièrement pertinent pour les véhicules électriques hybrides (HEV). L'augmentation de la résistance interne dans un HEV signifie que vous ne pouvez pas accélérer aussi vite qu'avant et qu'il récupère moins d'énergie au freinage. Pour les opérateurs de stockage stationnaire, cela signifie une efficacité et une capacité de puissance réduites.

La principale cause du vieillissement des batteries lithium-ion est la croissance de l'interphase électrolytique de surface (SEI). La couche SEI se forme sur l'électrode négative lors du premier cycle de charge, communément appelé cycle de formation. Le SEI s'épaissit avec le temps et est principalement influencé par la chimie de l'électrolyte et les contraintes mécaniques des matériaux actifs. Le SEI est généralement formé sur l'anode, qui est principalement constituée de graphite, parfois mélangé à du silicium.

Au fur et à mesure que l'interphase d'électrolyte de surface se développe, elle se lie au lithium. Par la suite, moins d'ions lithium participent aux réactions de charge et de décharge et la capacité de la batterie diminue. Les ions lithium traversent également la couche SEI lorsque la batterie est chargée et déchargée. Plus le SEI est épais, plus il est difficile pour les ions de le traverser. C'est pourquoi la résistance interne augmente : le SEI croît au fur et à mesure que la batterie vieillit.

En plus de la croissance SEI, il existe de nombreux processus supplémentaires tels que la fissuration et la corrosion qui influencent le vieillissement de la batterie, mais nous les aborderons dans un autre article.

Vieillissement calendrique

Les principaux moteurs du vieillissement calendrique sont la température et l'état de charge (SOC). Dans l'ensemble, à des températures plus élevées et les batteries SOC vieillissent plus rapidement. Une baisse moyenne de 10 °C ou 50 °F peut doubler la durée de vie d'une batterie, comme illustré à la figure 2. Cependant, rappelez-vous de ne pas faire fonctionner vos batteries à des températures trop basses à cause du tressage du lithium.

Figure 2 : Comparaison du vieillissement de la batterie dans le temps à différents états de charge et températures

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Avec des SOC plus élevés - en particulier au-dessus de 90 % - le vieillissement de la batterie augmente rapidement, comme illustré dans les figures 3.3, 4, 5

Figure 3 : Comparaison du vieillissement de la batterie dans le temps à différents états de charge

Le vieillissement cyclique est dominé par le débit d'énergie - la quantité d'énergie qui se déplace à travers la batterie dans une période de temps spécifique - de sorte que le nombre de cycles joue un rôle clé. Cependant, les petits cycles sont moins nocifs que les grands, comme le montre la figure 4 (ci-dessous). Par exemple, trois cycles avec 20 % de profondeur de décharge (DOD) sont moins nocifs qu'un cycle avec 60 % de DOD, même si le débit d'énergie total est le même. Cela signifie que la batterie peut supporter plus de cycles si la profondeur de décharge reste dans une plage limitée.

Figure 4 : Comparaison des cycles soutenus à différentes profondeurs de décharge

‍De plus, la puissance de charge influence la durée de vie cyclique. Une puissance de charge plus élevée ou "charge rapide" entraîne un vieillissement accru. L'une des raisons est que la charge d'une batterie à haute puissance augmente la température, ce qui entraîne un vieillissement accéléré. Une autre raison est le risque accru de placage au lithium.

Outre la température, la puissance de charge, le débit et la profondeur de décharge, d'autres effets tels que les déphasages accélèrent également le vieillissement de la batterie. Pour obtenir des informations plus approfondies, demandez à un expert en batterie[at]ACCURE.net

En utilisant les informations sur les effets du vieillissement décrites ci-dessus, des stratégies de fonctionnement intelligentes peuvent être développées pour prolonger facilement la durée de vie de la batterie. Voici quelques recommandations pour différentes applications. Mais la chose la plus importante à retenir est de ne faire fonctionner les batteries que dans les limites du fournisseur donné. Par exemple, ne chargez pas les batteries à des températures trop froides ou trop chaudes.

Il est particulièrement important de faire fonctionner les véhicules électriques de manière durable, car un tiers à la moitié du prix du VE correspond à la batterie. Ne chargez pas complètement la batterie directement après votre retour à la maison lorsque seule une petite partie de l'autonomie complète a été parcourue. Garder la batterie complètement chargée accélère tellement le vieillissement que de nombreux constructeurs automobiles exigent que les utilisateurs acceptent manuellement de charger la batterie à 100 %.

Certaines applications pour véhicules électriques offrent des fonctionnalités intelligentes où l'utilisateur saisit l'heure à laquelle il a besoin que la voiture soit chargée pour éviter des SOC élevés pendant des périodes prolongées. Par exemple, l'utilisateur doit se rendre au travail à 7 heures du matin, puis la voiture commencera à se recharger à 4 heures du matin même si la voiture est branchée plus tôt.

Enfin, il est recommandé de ne charger rapidement le VE qu'en cas de besoin. La charge rapide utilise des courants élevés, ce qui peut entraîner des températures élevées. Les deux sont très coûteux en termes de vieillissement.

Dans le secteur du stockage à grande échelle, le vieillissement des batteries est souvent négligé. La plupart des systèmes de stockage à grande échelle fonctionnent avec des logiciels dépourvus de fonctionnalités qui prennent en compte de manière exhaustive le vieillissement de la batterie. Par exemple, le logiciel est conçu pour optimiser les revenus générés mais néglige les coûts de dégradation de la participation au marché.

Pour optimiser le coût total de possession (TCO) des systèmes de stockage à l'échelle des services publics, les coûts de dégradation des différents cycles doivent être pris en compte. Avec un jumeau numérique, les coûts de chaque cycle peuvent être suivis et consolidés entre les systèmes pour les comparer. Avec une connaissance à la fois des revenus et des coûts de participation au marché, l'opération globale peut être optimisée pour obtenir la valeur totale maximale de l'actif.

Les ménages privés équipés de systèmes photovoltaïques (PV) sur le toit utilisent des systèmes de stockage d'énergie sur batterie domestique pour augmenter l'autoconsommation d'énergie. Ces systèmes de batterie coûtent des milliers d'euros et sont de plus en plus demandés. L'année dernière, aux États-Unis, le marché du stockage résidentiel a enregistré deux trimestres record de 375 (T2) et 400 (T4) MWh installés.6 Rien qu'en Allemagne, on estime à 700 000 le nombre de systèmes de stockage résidentiels individuels.7

La plupart du temps, les systèmes de batterie domestiques stockent plus d'énergie qu'ils n'en consomment. En conséquence, les systèmes de stockage sont cyclés à des plages SOC élevées de 50 à 100 %, ce qui entraîne un vieillissement accru. Pour réduire le vieillissement, les paramètres du système doivent retarder la charge des batteries jusqu'à plus tard dans la journée. De cette façon, les batteries passent globalement moins de temps à des états de charge plus élevés.

De plus, l'analyse prédictive de la batterie peut calculer un SOC maximum nécessaire en fonction du comportement d'utilisation réel au fil du temps. Avec ces informations, le système peut être configuré pour maintenir le SOC spécifique à l'utilisateur afin de réduire considérablement l'état de charge moyen et de prolonger la durée de vie.

Une erreur courante consiste à garder les batteries lithium-ion complètement chargées la plupart du temps. Voici des recommandations pour ajuster la routine de charge afin de prolonger la durée de vie de la batterie et d'augmenter la sécurité :

Le service d'incendie de la ville de New York propose ici un aperçu utile des conseils de sécurité pour charger les appareils lithium-ion.

La façon dont les batteries sont utilisées et les conditions dans lesquelles elles fonctionnent ont un impact significatif sur le vieillissement. Cela signifie que les entreprises qui contrôlent les opérations et la maintenance peuvent prolonger la durée de vie de la batterie grâce à des ajustements simples mais intelligents. Chaque batterie vieillit différemment, c'est pourquoi nous recommandons une solution d'intelligence économique des batteries qui analyse les données de fonctionnement pour aider à déterminer la stratégie de fonctionnement la plus sûre et la plus rentable pour votre situation spécifique. Vous pouvez faire beaucoup plus pour prolonger la durée de vie des batteries lorsque vous transformez les données en actions.

Les références

1 Amrita Dasgupta, Max Schoenfisch. Analyse approfondie de l'infrastructure de stockage à l'échelle du réseau, Association internationale de l'énergie. Date de la dernière révision : septembre 2022. Date de récupération : 8 mars 2023 [https://www.iea.org/reports/grid-scale-storage]

2 Martin Placek. Métaux et électronique › Électronique, Part de marché des différents types de batteries EV dans le monde 2020-2050, statista. Date de la dernière révision : 6 janvier 2023. Date de récupération : 8 mars 2023 [https://www.statista.com/statistics/1248519/distribution-of-different-electric-vehicle-batteries-on-the-global-market/ ]

3 Peter Keil et al 2016. Calendar Aging of Lithium-Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society, Soc.163 A1872. Date de récupération : 3 avril 2023 [https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0411609jes]

4 Madeleine Ecker et al 2014. Étude du calendrier et de la durée de vie des batteries lithium-ion 18650 à base de Li(NiMnCo)O2, Journal of Power Sources, Volume 248, Pages 839-851, ISSN 0378-7753. Date de récupération : 3 avril 2023 [https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.143]

5 Georg Angenendt, Hendrik Axelsen, Sebastian Zurmühlen, 2018. Stratégies d'exploitation du système de stockage domestique PV (PV-HOST) et configurations du système pour le stockage par batterie pour les maisons unifamiliales avec systèmes photovoltaïques" : Rapport sur le sous-projet de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle : Rapport final (allemand), ISEA, RWTH Aachen University Date de consultation : 3 avril 2023 [https://www.tib.eu/en/suchen/id/TIBKAT:1016723725/]

6 Le marché américain du stockage d'énergie à l'échelle du réseau au troisième trimestre établit un nouveau record, Wood Mackenzie. Date de la dernière révision : 15 décembre 2022. Date de récupération : 08 mars 2023 [https://www.woodmac.com/press-releases/q3-us-grid-scale-energy-storage-market-sets-new-record/ ]

7 Sandra Enkhardt. 500 000 systèmes de stockage photovoltaïques à domicile désormais installés en Allemagne, PV Magazine. Date de la dernière révision : 6 avril 2022. Date de récupération : 8 mars 2023 ]

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