Les batteries Li-ion influencent directement les prestations offertes par un véhicule électrique dont leur puissance, leur masse, leur autonomie et leur temps de charge, sans oublier que le coût des batteries pèsent significativement dans le prix total d'un véhicule neuf. Aussi, il est important d'optimiser chaque aspect de la batterie pour en garantir la performance et la longévité.
Une batterie est constituée de multiples cellules reliées entre elles pour fournir une grande quantité d'énergie. Chaque cellule est composée de 4 élements principaux :
Le lithium (ou plutôt l'oxyde de lithium, le lithium pur étant un élement instable), est le matériau favorisé pour la constitution des batteries car il présente la meilleure densité énergétique (rapport entre la capacité énergétique et la masse) grâce à son potentiel électrique élevé.
Le fonctionnement d'une cellule est lié à des phénomènes électrochimiques : des réactions chimiques au sein des cellules permettent de générer de l'électricité.
Lorsque la cellule est complètement chargée, le lithium, sous forme ionique, est stocké dans une structure d'accueil du côté de l'anode. Lorsqu'il y a une demande en électricité, le lithium est oxydé et relâche des électrons. Le lithium circule vers l'autre électrode (la cathode) à travers l'électrolyte tandis que les électrons empruntent le circuit électrique pour alimenter les différents organes.
Lorsque le lithium atteint la cathode, celui-ci réagit avec la matière active de la cathode et les électrons qui ont parcouru le circuit électrique pour y être stocké (réduction). Lors de la charge de la batterie, ce sont les réactions inverses qui se produisent pour déplacer les ions lithium vers l'anode en graphite.
Les électrons sont introduits de l'électrode vers le circuit électrique (et vice-versa) à l'aide d'un collecteur de courant en cuivre (à l'anode) ou en aluminium (côté cathode).
Note : dans cet article, l'anode est systématiquement rattachée à l'électrode négative (-) et la cathode à l'électrode positive (+), ce qui est vrai lorsque la batterie se décharge, mais qui est un abus de langage lors de la recharge. Pour une batterie, l'anode est normalement le siège de l'oxydation et la cathode le siège de la réduction.
Il existe 3 formats de cellules :
Dans l'industrie automobile, les cellules cylindriques sont essentiellement utilisées par Tesla, les cellules prismatiques par BMW (et Tesla pour ses batteries LFP) tandis que les autres constructeurs ont généralement recours aux cellules pouch.
Les cellules cylindriques sont le format dont le processus de fabrication est le mieux maitrîsé car le plus ancien. En revanche, la petite taille de ces cellules limite leur capacité et il en faut un nombre très important pour constituer la batterie d'un véhicule électrique.
Les cellules pouch offrent une meilleure gestion de l'espace grâce à leur forme de parallépipède rectangle et à leur fines parois en aluminium souple. Ce type de cellule est le plus couramment utilisé pour la fabrication des batteries des véhicules électriques.
Les cellules pouch ont une capacité énergétique bien plus importantes que les cellules cylindriques de par leur taille. Néanmoins, comme il y peu d'espace entre les cellules, il est plus complexe de gérer la température de chaque cellule. Enfin, à cause de leurs parois fines, elles sont plus sujettes au gonflement. A cet effet, il est préférable de disposer les cellules à la verticale côte à côte plutôt que de les empiler horizontalement.
Les cellules prismatiques sont similaires, dans leur forme, aux cellules pouch. Néanmoins, dans le cas des cellules pouch, les électrodes sont planes tandis qu'elles sont pliées une ou plusieurs fois dans une cellule prismatique. Ces dernières ont des parois rigides, ce qui empêche la dilatation des cellules, mais c'est au prix d'une capacité énergétique plus faible que les cellules pouch du fait des parois plus épaisses.
La tension d'une batterie est exprimée en volt (V) tandis que l'intensité du courant est exprimée en ampère (A). La tension d'une cellule est déterminée par la différence de potentiel électrique entre l'anode et la cathode. La puissance de charge est exprimée en watt (W) : elle est le produit de la tension de la borne de recharge et de l'intensité du courant qui l'alimente.
La capacité énergétique de la batterie est exprimée en kilowatt-heure (kWh) : cette valeur représente la quantité d'énergie disponible dans la batterie et détermine l'autonomie d'un véhicule électrique. Ce nombre correspond à la puissance que peut délivrer la batterie pendant une heure.
La capacité de charge d'une batterie est communément exprimée en ampère-heure (Ah), bien que l'unité officiel du système international soit le coulomb (C). Cette donnée détermine l'intensité maximum utilisable pour recharger la batterie.
La densité énergétique (Wh/kg) représente la quantité d'énergie disponible dans la batterie divisée par la masse de la batterie.
La durée de charge d'une batterie est géneralement exprimée selon 2 critères :
Le niveau de charge d'une batterie (souvent appelé SoC de l'anglais State of Charge) est exprimé en pourcentage (%).
Comme une seule cellule n'est pas suffisante pour fournir la tension et la capacité nécessaires pour animer un véhicule, les cellules doivent être organisées à l'aide de montages en série et en parallèle.
Selon les lois régissant les propriétés des circuits :
Dans l'exemple ci-dessus, les cellules sont agencées selon le schéma 4S3P, c'est-à-dire 4 groupes en série (4S) de chacun 3 cellules en parallèle (3P).
La batterie de la Tesla Model 3 Grande Autonomie (et Performance) est divisée en 4 modules rectangulaires logés sous l'habitacle. Au centre sont logés 2 modules de 25 groupes et 2 modules de 23 groupes de chaque côté, chaque groupe étant constitué de respectivement de 46 cellules en parallèle. Les modules et les groupes de cellules sont reliés en série entre eux.
La batterie de la Model 3 Grande Autonomie est constituée d'un total de 4.416 cellules de type 2170. Les cellules 2170 sont des cellules cylindriques de 21 mm de diamètre et d'une hauteur de 70 mm. Chaque cellule a une capacité utilisable de 4,65 Ah et une tension usuelle de 3,65 V.
Au total, il y a donc 96 groupes de cellules montées en série (2x25 + 2x23), ce qui permet d'obtenir une tension de 350 V. La capacité de la batterie est de 74,9 kWh.
La batterie de l'Audi e-tron quattro est constituée de cellules de type pouch. Chaque cellule a une tension de 3.67 V et une capacité de 60 Ah.
Les cellules sont organisées en 36 modules reliés en série. Chaque module est constitué de 3 groupes eux-mêmes reliés en série. Chaque groupe comprend 4 cellules reliées en parallèle (55 quattro), 3 dans le cas de la version 50 quattro.
La tension de la batterie est donc de 396 V (36 x 3 x 3,67) et la capacité de 95 kWh (55 quattro) ou 71,2 kWh (50 quattro). La version 55 compte 432 cellules pouch contre 324 pour la version 50.
Pour les véhicules électriques, trois types de cathodes sont généralement utilisées :
Les cathodes NMC sont utilisées dans la plupart des véhicules car elles offrent le meilleur compromis possible entre coût, densité énergétique et sécurite. Les cathodes NCA utilisées par Tesla sont moins coûteuses (car elles utilisent moins de cobalt) et ont une meilleure densité énergétique. Toutefois, les cathodes NCA demandent une gestion de la température plus fine de la batterie car les cathodes NCA se dégradent à partir d'une température plus faible que les cathodes NMC.
Les cathodes LFP permettent de se passer complètement de cobalt, mais c'est au prix d'une densité énergétique plus faible. Le prix des cellulles LFP reste comparable aux autres types de cellule. Parmi les autres avantages, la dégradation de la capacité est moindre et les cellules LFP sont moins sensibles aux phénomènes de surtension.
En revanche, le taux d'auto-décharge est un peu plus marqué dans le cas des cellules LFP, ce qui peut générer, à terme, des déséquilibres importants de cellule à cellule. Pour éviter cela, il convient de charger plus régulièrement son véhicule à 100% afin que le système de gestion de la batterie procède régulièrement à un équilibrage des cellules.
Les constructeurs cherchent à minimiser l'emploi de cobalt dans les batteries, voire à le supprimer. Outre son prix élevé et volatile, l'extraction du cobalt, majoritairement issu de la République Démocratique du Congo (60% environ de la production mondiale) est largement contreversée. Le nickel, deux fois moins cher, se substitue généralement au cobalt.
Les premières cellules Li-ion utilisaient des cathodes NMC 111 (chaque chiffre représentant la proportion de chacun des 3 métaux) composées de 33% de nickel, 33% de manganèse et 33% de cobalt. La norme se base désormais sur des cathodes NMC 622 (60% de nickel, 20% de manganèse et 20% de cobalt).
A court terme, la part de cobalt devrait encore être réduite pour se limiter à 10% du contenu de la cathode (NMC 811), voire inexistante (cathode LFP). Concernant la cathode NCA utilisée par Tesla, cette dernière contient environ 15% de cobalt.
L'anode, généralement en graphite, a pour rôle d'accueillir les ions de lithium lorsque la batterie est chargée. Lorsque le circuit électrique nécessite de la puissance, un électron se sépare d'un ion lithium tandis que l'ion lithium va trouver refuge dans la cathode.
Dans un futur proche, les anodes pourraient faire appel au silicium et/ou au graphène. Ces 2 matériaux ont d'excellentes qualités de stockage, ce qui permet d'augmenter la densité énergétique des cellules. De plus, le silicium est un matériau très présent sur terre et peu onéreux. En revanche, une fois chargé en lithium, il se dilate fortement, ce qui génère de fortes pressions au sein de la cellule au point de mettre en péril sa durabilité : c'est pour cette raison que le silicium n'est pas encore utilisé sur un véhicule de série.
Actuellement, certaines anodes sont légèrement enrichies en silicium (Tesla Model 3) : un bon compromis qui permet d'améliorer sensiblement la densité énergique sans remettre en cause la fiabilité de la cellule.
L'anode et la cathode baignent dans l'électrolyte, un liquide (ou un gel) qui facilite le transport des ions d'une électrode à l'autre (haute conductivité ionique). L'électrolyte est constitué de sels de lithium et de solvants. Les cristaux de sels permettent de transporter les ions. Les solvants permettent de dissoudre le sel au sein de l'électrolyte dans une solution homogène. La composition de l'électrolyte est essentielle pour assurer un transport rapide des ions de l'anode vers la cathode et vice-versa. La viscosité doit rester suffisamment stable sur l'ensemble de la plage de température de fonctionnement de la batterie.
Le séparateur est une barrière physique entre l'anode et la cathode. Il ne laisse passer que les ions et bloque les électrons. Il s'agit généralement d'un film plastique fin microperforé (les trous étant d'un diamètre de l'ordre de 0,1 micron).
Pour une batterie de 50 kWh, la masse totale des cellules (hors systèmes de gestion de la batterie et protection contre les chocs) est de l'ordre de 230 kg, la masse de lithium est de l'ordre de 8 kg, la masse de nickel est de l'ordre de 18 kg, la masse de manganèse représente environ 6 kg tandis que la masse de cobalt est d'environ 6 kg (considérant une cathode de type NMC 622).
La batterie étant un élement très lourd, il est indispensable de la positionner au plus bas dans le véhicule et le plus au centre possible : sa place logique se trouve donc entre les 4 roues du véhicule sous les passagers. Néamoins, cela suppose de repenser le châssis du véhicule pour trouver le bon compromis entre capacité de la batterie et espace disponible.
Pour les premières générations de véhicules électriques (comme l'e-Golf), les véhicules étaient pensés pour des moteurs à combustion : les batteries étaient positionnées dans le tunnel de transmission et dans le coffre. Toutefois, l'espace disponible est limité et nécessite généralement de rogner sur le volume du coffre : la capacité des batteries reste limitée et la forme complexe de la batterie complique le refroidissement homogène de cette dernière.
Les générations actuelles des véhicules électriques ont été conçues dès le départ pour tenir compte des spécificités du mode de propulsion électrique (à l'exception notable de la Peugeot e-208 dont la plateforme a été conçue pour accueillir aussi bien des moteurs à combustion que des moteurs électriques).
Ainsi, la Volkswagen ID.3, qui a succédé à l'e-Golf dans la gamme électrique du constructeur allemand, s'appuie sur une plateforme spécifique (dénommée MEB) et propose, sensiblement dans le même encombrement que la e-Golf, une bien meilleure capacité (doublée dans le cas de la batterie de 77 kWh), une bien meilleure habitabilité (notamment pour les passagers arrière), tout en proposant un coffre de taille similaire à celle d'une Golf à moteur thermique.
Les batteries Li-ion sont rechargées selon la stragégie CC-CV et cette méthode comporte 3 phases :
La phase de pré-charge consiste à charger la batterie à faible intensité pour la préchauffer (si la température des cellules est trop faible) ou abaisser la température des cellules (après une forte sollicitation du véhicule). Dans certains véhicules, lorsque le conducteur programme son itinéraire à l'aide de son système de navigation et que l'itinéraire prévoit un arrêt-recharge, le véhicule déclenche automatiquement le conditionnement de la batterie quelques kilomètres avant d'atteindre la borne, ceci afin de réduire la durée de la phase de pré-charge.
La phase CC est la phase où la puissance de charge est la plus élevée. La tension des cellules monte graduellement et l'intensité du courant est maximum (elle est fonction de la capacité des batteries et de la température).
Cette première phase prend fin lorsque les cellules atteignent leur tension nominale. A cet instant, le processus de charge bascule en mode CV : l'intensité est fortement réduite pour que la tension de la cellule n'augmente plus. La charge s'interrompt lorsque l'intensité devient très faible (environ 5% de l'intensité nominale).
Au fur et à mesure de la charge, les ions lithium s'accumulent dans l'anode et plus le niveau de charge de la batterie est élevé, moins il y a de sites d'insertion disponibles pour l'intercalation du lithium avec le graphite et les électrons. Aussi, ce phénomène augmente la résistance interne de la cellule et, à courant constant, la tension de la cellule augmente.
Il faut veiller à ne pas dépasser la tension nominale de la cellule car, lorsque la tension est légèrement plus élevée que cette tension nominale (de l'ordre de 0,1 V environ), le lithium aura plus d'affinité à se recombiner avec un électron plutôt qu'avec le graphite de l'anode. Dans ce cas, le lithium prend une forme métallique et génère une couche autour de l'anode (lithium plating), empêchant les ions lithium d'atteindre les pores de l'anode.
D'autre part, en s'accumulant dans l'électrolyte sous forme métallique, le lithium peut former des dendrites suffisamment épaisses pouvant endommager le séparateur. Dans ce cas de figure, l'anode et la cathode sont en contact direct (court-circuit), ce qui amène à l'emballement thermique de la cellule et à un risque d'incendie.
Les caractéristiques (impédance et niveau de charge en particulier) varient légèrement de cellule à cellule et il se peut que la charge soit considérée complète parce qu'un groupe de cellule a déjà atteint son niveau de charge maximum tandis que les autres groupes de cellules n'ont pas été complètement rechargés. Pour éviter cela, le système de gestion de la batterie initie un équilibrage des cellules en augmentant la résistance des cellules complètement rechargées pour favoriser la circulation du courant dans les cellules ayant un niveau de charge plus faible.
Cet équilibrage a lieu lorsque le niveau de charge est de l'ordre de 95 % et se déclenche lorsque tous les consommateurs électriques sont éteints (système multimédia éteint et climatisation coupée, par exemple).
La tension aux bornes de la batterie étant relativement stable dans la zone de fonctionnement de la batterie (entre 5% de niveau de charge et 95%), l'estimation du niveau de charge s'appuyant sur la tension de la batterie serait très approximatif.
Aussi, pour mesurer le niveau de charge de la batterie, la méthode la plus couramment utilisée est le comptage de Coulomb. Cette méthode consiste à mesurer la quantité d'électricité qui entre et qui sort de la batterie. La mesure du niveau de charge de la batterie est ainsi beaucoup plus fiable. Néanmoins, il peut y avoir des dérives et utilisée telle quelle, le niveau de charge peut être erronné après quelques semaines avec une différence pouvant dépasser 10%, notamment du fait de l'auto-décharge.
Pour éviter cela, l'algorithme d'estimation du niveau de charge est donc bien plus complexe et diffère selon les constructeurs. En règle générale, une fonction d'auto-apprentissage (basée sur le kilométrage parcouru et la quantité d'énergie consommée ainsi que sur le temps de charge) permet d'éviter les dérives de l'estimation du niveau de charge. L'équilibrage des cellules aide aussi à l'amélioration de cette estimation.
Le BMS (Battery Management System) joue un rôle capital de manière à éviter une usure précoce des cellules et un disfonctionnement sévère de la batterie (risque d'incendie). A cet effet, le système de gestion de la batterie tient compte d'une multitude de paramètres tels que :
En règle générale, il y a un BMS maître et plusieurs BMS esclaves (un par groupe ou par module gestion décentralisée). Dans certains cas, la batterie est gérée par un seul BMS (gestion centralisée).
Le boîtier de raccordement (autrement appelé Battery Junction Box - BJB) a pour fonction de relier la batterie aux autres composants électriques. Le boîtier de raccordement reçoit de l'énergie des organes suivants :
D'autre part, il va distribuer l'énergie :
En interne, le boîtier de raccordement va diriger l'énergie vers le BMS qui va ensuite distribuer cette dernière vers les modules / groupes de cellules / cellules.
La gestion de la température au sein des batteries Li-ion est primordiale, à la fois pour recharger la batterie à forte puissance et pour délivrer la quantité d'énergie nécessaire pour alimenter le moteur. La température idéale de fonctionnement d'une cellule est de l'ordre de 25 °C. Dans une fenêtre de plus ou moins 15 °C par rapport à la température optimale, les cellules conservent d'excellentes performances.
Lorsque la température à l'intérieur des cellule est faible, la diffusion des ions lithium à travers l'électrolyte est lente (la résistance de la cellule est élevée) : le risque de surtension est donc élevé, ce qui favorise la formation de lithium métallique et de dendrites. Si un courant de forte intensité est maintenu dans ces conditions, paradoxalement, la température au sein de la cellule va aussi s'élever significativement.
Lorsque la température de la cellule augmente au-delà de 70 °C, le revêtement de l'anode (SEI - Solid Electrode Interphase) grossit significativement, devient plus poreux et instable. Le revêtement peut alors piéger du lithium et ne plus le relâcher, ce qui est la cause principale de la perte de capacité d'une cellule.
Enfin, lorsque la température augmente de manière incontrôlée au-dela de 150 °C environ, l'électrolyte se décompose jusqu'à relâcher des gaz nocifs et l'expansion significative de l'anode conduit à une pression importante au sein de la cellule. Ces phénomènes conduisent à l'incendie de la batterie.
Le refroidissement de la batterie peut se faire par circulation d'air ou par circulation de liquide de refroidissement. Les batteries refroidies par air sont la solution la plus simple et la plus légère. C'est d'ailleurs pour cette raison que Volkswagen, pour établir son record de la course de côte de Pikes Peak avec l'I.D. R en moins de 8 minutes, a choisi cette technique. Parmi les véhicules de production, la Renault Zoé et la Nissan Leaf font appel à cette technologie.
La majeure partie des véhicules électriques fait plutôt confiance à un refroidissement par liquide, le liquide circulant à travers les cellules et les groupes de cellules pour évacuer plus efficacement la chaleur.
Enfin, pour limiter l'augmentation de température, il peut être intéressant de réduire l'intensité du courant en augmentant la tension de la batterie, comme pour la Porsche Taycan (et sa cousine Audi e-tron GT quattro) dont la tension de la batterie atteint 800 V.
Le problème qui touche plus particulièrement les PHEV du fait de leur faible autonomie, est que toute réduction de la partie exploitable de la batterie, qui semble selon des comparaisons entre véhicules utilisant la même configuration moteur se creuser par temps plus frais, est que cela induit une plus grande consommation de carburant au fil des jours avec le mode hybride qui démarre plus tôt.