Chimie et composants des cellules

La chimie d’une batterie de véhicule électrique influence la quantité d’énergie que ses cellules peuvent stocker, leur vitesse de recharge, leur comportement par temps froid, leur vieillissement ainsi que les matières premières et les procédés de fabrication nécessaires.

Des appellations comme NMC, NCA et LFP décrivent généralement le matériau de l’électrode positive, et non la cellule complète. Deux batteries commercialisées sous la même appellation peuvent donc offrir des performances très différentes ; pour une présentation générale de la tension, du courant, du déplacement des ions et du stockage de l’énergie, commencez par les Principes de base des batteries.

La chimie forme un système cellulaire complet

Une cellule rechargeable est un système électrochimique composé de plusieurs éléments interdépendants :

Une électrode positive
Une électrode négative
Un électrolyte
Un séparateur
Deux collecteurs de courant
Des interfaces protectrices formées au contact entre l’électrolyte et les électrodes

Les matériaux des deux électrodes déterminent le mécanisme fondamental de stockage et la tension de fonctionnement de la cellule. L’électrolyte transporte les ions entre elles. Le séparateur empêche tout contact électrique direct tout en laissant passer les ions, tandis que les collecteurs de courant conduisent les électrons vers les bornes de la cellule.

Ces éléments ne peuvent pas être optimisés indépendamment. Une électrode positive à tension plus élevée peut exiger un électrolyte plus résistant à l’oxydation. Une électrode négative riche en silicium nécessite des liants, des additifs et des dispositifs mécaniques capables d’absorber son expansion. Une cellule destinée à la recharge rapide peut nécessiter des électrodes plus fines ou plus poreuses qu’une cellule conçue pour maximiser la densité énergétique.

La conséquence pratique est importante : la chimie annoncée n’est qu’un point de départ. La conception des particules, l’épaisseur des électrodes, la formulation de l’électrolyte, le format de cellule, la gestion thermique, les limites de fonctionnement et les logiciels contribuent tous aux performances d’une batterie dans un véhicule électrique.

Construction d’une électrode

Une électrode n’est pas une feuille pleine de graphite, de LFP ou de NMC. Il s’agit normalement d’un revêtement composite poreux appliqué sur une fine feuille métallique.

Un revêtement d’électrode conventionnel contient :

Un matériau actif, qui stocke et libère des ions lithium ou sodium
Des additifs conducteurs, généralement des matériaux à base de carbone qui créent des chemins pour les électrons
Un liant, qui maintient les particules ensemble et fixe le revêtement au collecteur de courant
Des pores, qui permettent à l’électrolyte d’atteindre le matériau actif

La taille des particules, les proportions des matériaux, l’épaisseur du revêtement, sa densité et sa porosité influencent toutes les performances. Le US Department of Energy décrit les films d’électrode comme des associations de matériau actif, d’additif conducteur et de liant, et montre comment les composants inactifs et la charge d’électrode influencent la densité énergétique réelle. (US Department of Energy)

Une électrode épaisse et densément compactée peut stocker davantage d’énergie par rapport à la masse de son collecteur de courant, de son séparateur et de son boîtier. Les ions et la chaleur doivent toutefois y parcourir une plus grande distance, ce qui peut limiter la recharge rapide et le fonctionnement à forte puissance.

Une électrode plus fine ou plus poreuse peut raccourcir les trajets de transport et réduire les gradients locaux de concentration, mais elle utilise normalement davantage de matériau inactif pour chaque kilowattheure stocké. La conception d’une cellule consiste donc à trouver un équilibre entre :

Densité énergétique gravimétrique : énergie par unité de masse
Densité énergétique volumique : énergie par unité de volume
Puissance et aptitude à la recharge rapide
Production de chaleur et refroidissement
Durée de vie en cycles et durée de vie calendaire
Utilisation des matériaux, cadence de production et coût

C’est notamment pour cette raison qu’une chimie offrant des performances exceptionnelles dans une cellule bouton de laboratoire ne procure pas automatiquement le même avantage dans une cellule automobile de grande taille.

Matériaux de l’électrode négative

L’électrode négative, couramment appelée anode, stocke les ions lithium ou sodium lorsque la cellule est chargée. Elle influence fortement la recharge rapide, le comportement par temps froid, l’efficacité, le gonflement et la dégradation.

La plupart des cellules lithium-ion destinées aux véhicules électriques utilisent du graphite ou un composite graphite-silicium. Les cellules sodium-ion utilisent généralement du carbone dur. D’autres systèmes d’électrode négative visent des avantages particuliers ou de futures augmentations de la densité énergétique.

Graphite

Le graphite est le principal matériau d’électrode négative des batteries lithium-ion de véhicules électriques. Sa structure cristalline en couches permet aux ions lithium de s’insérer entre les feuillets de carbone pendant la recharge et d’en ressortir pendant la décharge.

Les fabricants peuvent utiliser :

Du graphite naturel
Du graphite synthétique
Des mélanges de graphite naturel et synthétique

Le graphite naturel peut réduire la consommation d’énergie et le coût de production du matériau, tandis que le graphite synthétique permet aux fabricants de mieux maîtriser la pureté, la forme des particules et la régularité. Des mélanges et des revêtements servent à ajuster l’efficacité, la durabilité et les performances de recharge.

Le graphite est une technologie mature qui peut rester stable sur de nombreux cycles, mais sa capacité de stockage est limitée. Il est également exposé au dépôt de lithium métallique lorsque le lithium arrive à sa surface plus vite qu’il ne peut s’insérer dans la structure. Une faible température de cellule, un courant de recharge élevé et un état de charge important augmentent tous ce risque.

Le dépôt de lithium consomme du lithium utilisable et peut accélérer le vieillissement. Des dépôts importants ou répétés peuvent également créer des formations qui augmentent le risque de court-circuit interne. C’est pourquoi un véhicule électrique peut réduire sa puissance de recharge lorsque la batterie est froide ou presque pleine.

Anodes composites graphite-silicium

Le silicium peut stocker beaucoup plus de lithium par gramme que le graphite. Son ajout constitue donc l’un des principaux moyens employés par les fabricants pour augmenter la densité énergétique des cellules sans remplacer l’ensemble du système de production lithium-ion.

La difficulté réside dans son expansion. Le silicium entièrement lithié peut se dilater d’environ 300%, créant des contraintes susceptibles de fissurer les particules, de rompre les connexions électriques et d’endommager de façon répétée la couche protectrice de surface. Une étude publiée en 2024 dans Nature Communications décrit cette expansion et les risques qui en résultent pour l’électrode et le séparateur. (Nature Communications)

La plupart des « anodes en silicium » automobiles ne sont donc pas constituées de silicium pur. Ce sont des électrodes en graphite qui contiennent une proportion contrôlée de silicium ou d’un matériau à base de silicium. Le graphite fournit une structure stable, tandis que le silicium ajoute de la capacité.

Augmenter la proportion de silicium peut améliorer la densité énergétique, mais complique également la maîtrise du gonflement, de la perte de lithium au premier cycle, de la stabilité de l’interface et de la fabrication. La cellule peut nécessiter :

Des liants élastiques
Des additifs d’électrolyte qui forment une couche de surface plus stable
Des particules de silicium élaborées ou des composites silicium-carbone
Un apport de lithium supplémentaire pour compenser les pertes initiales
Une pression et des limites de fonctionnement soigneusement contrôlées

La recherche et le développement industriel évoluent de faibles ajouts de silicium vers des électrodes à dominante silicium. Une proportion élevée de silicium ne prouve toutefois pas à elle seule qu’une cellule offrira une forte densité énergétique ou une longue durée de vie. Le résultat dépend de la conception complète de l’électrode et de la cellule. Les recherches sur les cellules pratiques contenant du silicium décrivent l’expansion, l’instabilité des interfaces, le gonflement des électrodes et l’épuisement de l’électrolyte comme des difficultés interdépendantes. (Nature Communications)

Carbone dur

Le carbone dur est le principal matériau d’électrode négative des cellules sodium-ion. Il s’agit d’un carbone non graphitisable dont les couches désordonnées, les défauts et les pores peuvent stocker les ions sodium, plus volumineux, plus efficacement que le graphite conventionnel.

Le carbone dur peut être produit à partir de plusieurs précurseurs riches en carbone, notamment des résines synthétiques et des matières issues de la biomasse. Sa structure poreuse, ses défauts, sa surface spécifique et son traitement thermique influencent fortement sa capacité, son efficacité au premier cycle et ses performances à fort régime.

Le mécanisme de stockage est plus complexe qu’une simple insertion entre des couches parfaitement ordonnées. Le sodium peut être stocké au niveau des défauts, entre les couches de carbone désordonnées et dans les nanopores. Les recherches se poursuivent pour déterminer la contribution de chaque mécanisme dans des conditions d’utilisation réelles. (Nature Communications)

Le carbone dur n’est pas automatiquement bon marché au seul motif que sa matière première est abondante. La purification, le traitement thermique, le rendement, la régularité, la perte initiale de sodium et la densité de l’électrode influencent tous le coût et la densité énergétique d’une cellule finie.

Titanate de lithium

Le titanate de lithium, généralement abrégé LTO, remplace le graphite par de l’oxyde de titanate de lithium du côté de l’électrode négative.

Le LTO fonctionne à un potentiel plus élevé que le graphite. Cela réduit fortement la tendance au dépôt de lithium et permet une puissance élevée, une recharge rapide et une longue durée de vie en cycles. Sa structure varie également très peu lorsque le lithium entre et sort.

En contrepartie, la tension de cellule est plus faible, tout comme la densité énergétique pour une électrode positive donnée. Le LTO est donc intéressant lorsque la puissance, la durabilité, le fonctionnement à basse température ou les cycles fréquents comptent davantage que l’autonomie maximale dans un volume de batterie limité.

Le US Department of Energy désigne le graphite ou le carbone comme l’anode dominante des cellules lithium-ion et le LTO comme une solution de remplacement employée dans certaines applications à forte puissance ou à longue durée de vie en cycles. (US Department of Energy)

Lithium métallique

Une électrode négative en lithium métallique stocke directement le lithium sous forme de métal au lieu de l’insérer dans une structure hôte en graphite ou en silicium. La suppression du matériau hôte pourrait augmenter considérablement la densité énergétique au niveau de la cellule.

Le problème central est la réversibilité. Le lithium doit se déposer et être retiré uniformément à chaque cycle. Les dépôts irréguliers, les réactions répétées avec l’électrolyte, le lithium inactif, les changements de volume et la détérioration du séparateur peuvent réduire la durée de vie et créer des risques pour la sécurité. Le US Department of Energy présente les cellules au lithium métallique comme une voie vers des batteries plus petites et plus légères, tout en soulignant leur rechargeabilité limitée et leurs difficultés en matière de sécurité. (US Department of Energy)

Lithium métallique et électrolyte solide ne désignent pas la même chose. Une cellule au lithium métallique peut utiliser un électrolyte liquide, en gel, polymère ou solide. Une cellule à électrolyte solide peut employer du lithium métallique, mais aussi une autre électrode négative. Ces termes décrivent des parties différentes de la cellule.

Pour les programmes de développement et les annonces commerciales actuels, consultez les Dernières avancées en matière de batteries.

Matériaux de l’électrode positive

L’électrode positive, couramment appelée cathode, est à l’origine de la plupart des appellations connues des chimies lithium-ion. Sa structure et sa composition influencent fortement la tension de la cellule, sa capacité, sa stabilité thermique, le coût des matériaux et son vieillissement.

Le US Department of Energy répertorie le LFP, le NMC, le NCA, le LMO et plusieurs autres matériaux comme des catégories distinctes d’électrodes positives lithium-ion. (US Department of Energy)

NMC ou NCM

NMC et NCM signifient tous deux oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt. L’ordre des lettres varie selon les conventions de dénomination ; elles décrivent la même famille générale de matériaux à oxyde lamellaire.

Des nombres comme 111, 532, 622 et 811 indiquent les proportions relatives approximatives de nickel, de manganèse et de cobalt. Le NMC 811, par exemple, contient environ huit parts de nickel, une part de manganèse et une part de cobalt.

Dans cette famille :

Le nickel contribue fortement à la capacité et donc à la densité énergétique.
Le manganèse peut soutenir la stabilité structurelle et thermique et réduire la dépendance au nickel et au cobalt.
Le cobalt aide à stabiliser la structure lamellaire et contribue aux propriétés électroniques et à la fabrication, mais il est coûteux et pose des problèmes d’approvisionnement.

Augmenter la teneur en nickel peut accroître la capacité et réduire l’emploi de cobalt, mais rend également le matériau plus sensible à l’humidité, à la tension élevée, aux réactions de surface et à la chaleur. Les fabricants y répondent par des revêtements de particules, des dopants, des gradients de concentration, des additifs d’électrolyte et un contrôle plus strict de la production et du fonctionnement.

L’explication de LG Energy Solution sur le NCM présente également l’augmentation de la teneur en nickel comme un moyen d’accroître la capacité, tout en décrivant la stabilité comme une difficulté d’ingénierie. (LG Energy Solution)

L’appellation « NMC » recouvre donc une vaste plage de performances. Une ancienne cellule NMC à faible teneur en nickel et une cellule NMC moderne riche en nickel ne doivent pas être considérées comme équivalentes.

NCA

NCA signifie oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium. Comme le NMC riche en nickel, c’est un matériau à oxyde lamellaire développé pour offrir une énergie spécifique et une puissance élevées.

Le nickel fournit une grande partie de sa capacité, le cobalt soutient la structure lamellaire et le comportement électronique, tandis que l’aluminium contribue à stabiliser le matériau. Le NCA est normalement associé à une électrode négative en graphite ou en graphite-silicium.

Le NCA peut convenir à des cellules de véhicules électriques à forte énergie, mais le résultat dépend de la conception des particules, de la stabilité de l’électrolyte, de la gestion thermique et de limites de tension prudentes. Il n’est pas intrinsèquement « meilleur » que le NMC ; chaque famille peut être optimisée pour des priorités différentes.

NCMA

Le NCMA contient du nickel, du cobalt, du manganèse et de l’aluminium. Il associe ces quatre métaux dans une électrode positive à oxyde lamellaire, généralement à forte teneur en nickel.

L’objectif est de conserver l’avantage de capacité du matériau riche en nickel tout en utilisant le manganèse et l’aluminium pour améliorer la stabilité et réduire la teneur nécessaire en cobalt. LG Energy Solution décrit l’aluminium comme contribuant à la puissance et à la stabilité de son matériau NCMA. (LG Energy Solution)

Comme pour le NMC et le NCA, l’acronyme ne révèle pas la recette exacte. Les proportions de métaux, les revêtements, les dopants, la structure des particules, la tension supérieure et la qualité de fabrication restent importants.

LFP

LFP signifie lithium-fer-phosphate. Sa structure cristalline de type olivine repose sur de fortes liaisons phosphate et ne contient ni nickel ni cobalt.

Ses principaux atouts sont :

Une stabilité thermique et chimique élevée
Un potentiel de longue durée de vie en cycles
Une bonne aptitude à fournir de la puissance avec une conception appropriée
Une exposition réduite aux chaînes d’approvisionnement du nickel et du cobalt

Sa principale limite est une densité énergétique au niveau de la cellule inférieure à celle des meilleurs systèmes à oxyde lamellaire riches en nickel. La tension de fonctionnement et la densité du matériau étant plus faibles, un pack LFP peut nécessiter davantage de volume ou de masse de cellules pour stocker la même énergie.

Le LFP présente également une courbe de tension relativement plate sur une grande partie de sa plage d’état de charge utilisable. Il est alors plus difficile d’estimer l’état de charge à partir de la tension, de sorte que le système de gestion de la batterie dépend fortement de la mesure du courant, de modèles et de recalibrages occasionnels.

La recharge à basse température peut être difficile, car l’électrode négative reste généralement en graphite. Le chauffage du pack, la conception des cellules et les commandes de recharge importent donc autant que l’électrode positive LFP elle-même.

La réputation de durabilité du LFP ne signifie pas qu’il est insensible au vieillissement calendaire ni que toutes les batteries LFP doivent rester à un état de charge de 100%. Les propriétaires doivent suivre les recommandations de recharge du constructeur ; certaines consignes de recharge complète périodique visent notamment à faciliter le recalibrage de l’état de charge.

LMFP

LMFP signifie lithium-manganèse-fer-phosphate. Il modifie le matériau LFP en remplaçant une partie du fer par du manganèse.

L’apport de manganèse augmente la tension sur une partie de la courbe de décharge, ce qui permet au LMFP d’offrir potentiellement une densité énergétique supérieure à celle du LFP tout en conservant une structure à base de phosphate et en évitant le nickel et le cobalt.

Le matériau présente aussi des difficultés, notamment une conductivité électrique et ionique intrinsèque plus faible, la dissolution du manganèse et la nécessité de maîtriser la composition et les revêtements de particules. Une étude récente sur le développement du LMFP examine le gain lié à la tension supérieure ainsi que les limites relatives à la conductivité, à la diffusion, à la densité et au manganèse. (Engineering)

Le LMFP peut être utilisé comme matériau d’électrode positive autonome ou mélangé à un autre matériau. Son avantage réel dépend de la quantité de manganèse employée, de la plage de tension, de la densité de l’électrode, de la durée de vie en cycles et de la conception de la cellule complète.

LMO et électrodes positives mélangées

LMO désigne normalement l’oxyde de lithium-manganèse à structure spinelle. Il peut fournir une puissance élevée et un bon comportement thermique, mais offre généralement une densité énergétique plus faible lorsqu’il est utilisé seul et peut subir une dissolution du manganèse ainsi qu’une perte de capacité, notamment à température élevée.

Les cellules automobiles ont souvent mélangé du LMO à du NMC. Dans un tel mélange, le LMO peut soutenir la fourniture de puissance tandis que le NMC apporte de la capacité énergétique. Une électrode mélangée ne constitue pas une nouvelle catégorie électrochimique : c’est une association délibérée destinée à équilibrer performances, durée de vie, coût et sécurité.

D’autres mélanges sont possibles. Les fabricants peuvent combiner des matériaux dans une électrode, revêtir un matériau avec un autre ou faire varier la composition entre le cœur et la surface d’une particule. Une appellation chimique courte ne peut pas exprimer tous ces détails.

Chimie des cellules sodium-ion

Les cellules sodium-ion fonctionnent selon le même principe général de « rocking-chair » que les cellules lithium-ion : les ions sodium se déplacent entre les deux électrodes à travers l’électrolyte, tandis que les électrons circulent dans le circuit externe. Les matériaux diffèrent parce que les ions sodium sont plus gros et plus lourds et présentent un comportement électrochimique différent.

Le sodium est abondant et largement réparti, et plusieurs conceptions courantes de cellules sodium-ion peuvent éviter le lithium, le nickel et le cobalt. L’abondance d’un matériau ne garantit toutefois pas à elle seule un pack moins cher. Le rendement de fabrication des cellules, la densité des électrodes, l’échelle de production, la durée de vie, les éléments passifs du pack et la maturité de la chaîne d’approvisionnement influencent tous le coût.

Électrode négative sodium-ion

Le graphite conventionnel stocke efficacement le lithium, mais accueille mal le sodium dans les électrolytes normalement employés par les cellules sodium-ion commerciales. Le carbone dur constitue donc le choix pratique standard.

La structure et la chimie de surface du carbone dur doivent être ajustées afin d’obtenir :

Une capacité sodium réversible
Une efficacité élevée au premier cycle
Une densité d’électrode suffisante
La formation d’une interface stable
Un transport rapide des ions
Une production régulière et évolutive

La perte au premier cycle est particulièrement importante, car le sodium consommé lors de la formation de l’interface n’est plus disponible pour transporter l’énergie pendant les cycles suivants.

Familles d’électrodes positives sodium-ion

Le développement des cellules sodium-ion comprend trois grandes familles d’électrodes positives :

Les oxydes lamellaires, qui peuvent offrir une capacité et une tension relativement élevées, mais être sensibles à l’air, à l’humidité ou aux changements structurels
Les composés polyanioniques, qui utilisent des structures stables comme des phosphates ou des sulfates et peuvent privilégier la durabilité, la tension ou la stabilité thermique
Les analogues du bleu de Prusse, dont les structures cristallines ouvertes favorisent un transport rapide du sodium, mais exigent une maîtrise rigoureuse de la teneur en eau, des lacunes et de la densité du matériau

La littérature scientifique désigne les oxydes lamellaires, les composés polyanioniques et les analogues du bleu de Prusse comme les principales familles de cathodes sodium-ion. (Nature Communications)

Ces familles ne doivent pas être regroupées sous une seule « chimie sodium » universelle. Tout comme les cellules lithium-ion NMC et LFP diffèrent, les cellules sodium-ion peuvent être conçues pour offrir différents équilibres entre énergie, puissance, fonctionnement par temps froid, durée de vie et coût.

Place du sodium-ion

Les cellules sodium-ion actuelles présentent généralement une densité énergétique inférieure à celle des meilleures cellules lithium-ion pour véhicules électriques. Elles sont donc moins intéressantes lorsque l’autonomie maximale doit tenir dans le pack le plus petit et le plus léger possible.

Elles peuvent convenir à :

Des véhicules électriques plus petits ou moins coûteux
Des véhicules pour lesquels une autonomie extrême n’est pas prioritaire
Des packs hybrides combinant des types de cellules complémentaires
Du stockage stationnaire et d’autres applications moins contraintes par la masse et le volume

Le comportement par temps froid peut constituer un avantage relatif de certaines conceptions sodium-ion, mais le mot « sodium » ne le garantit pas. Les matériaux des électrodes, l’électrolyte, la résistance de la cellule, le système thermique et les limites de fonctionnement déterminent toujours les performances réelles.

La disponibilité commerciale progresse rapidement. Pour que ce chapitre fondamental reste pertinent dans le temps, les produits actuels et les affirmations des fournisseurs sont présentés dans les Dernières avancées en matière de batteries.

Électrolyte

L’électrolyte transporte les ions entre les électrodes, mais doit bloquer les électrons. La plupart des cellules lithium-ion actuelles pour véhicules électriques utilisent un sel de lithium dissous dans des solvants organiques, auquel s’ajoutent de petites quantités d’additifs.

La formulation influence :

La conductivité ionique
Le comportement à basse et haute température
Les performances de recharge rapide
La production de gaz
La stabilité aux potentiels élevés et faibles des électrodes
La formation des interfaces protectrices sur les électrodes
L’inflammabilité et la réaction aux sollicitations anormales

Un électrolyte adapté au graphite et au LFP peut ne pas convenir à une électrode positive riche en nickel fonctionnant à haute tension ou à une électrode négative à dominante silicium. Les fabricants ajustent les sels, les solvants, les ensembles d’additifs et la concentration aux électrodes et à la plage de fonctionnement.

Les cellules sodium-ion emploient des sels contenant du sodium et des solvants compatibles. Leurs formulations résolvent un grand nombre des mêmes problèmes, mais doivent former des interfaces stables sur des matériaux d’électrode différents.

Électrolytes liquides, en gel, polymères et solides

L’expression à électrolyte solide décrit l’architecture de l’électrolyte, et non la chimie de l’électrode positive. Une cellule à électrolyte solide peut toujours utiliser une électrode positive de type NMC et une électrode négative en lithium métallique, en silicium, en graphite ou dans un autre matériau.

Remplacer un électrolyte liquide inflammable peut offrir des avantages en matière de sécurité et d’intégration, mais les électrolytes solides introduisent d’autres difficultés :

Maintenir un contact intime entre les couches solides
Éviter les fissures et les vides lorsque le volume des électrodes change
Obtenir une conductivité ionique élevée sur une vaste plage de températures
Maîtriser la résistance aux interfaces entre les matériaux
Fabriquer des couches minces et sans défauts à l’échelle automobile

Certaines conceptions dites « à électrolyte solide » conservent une petite quantité de liquide ou de gel. Les expressions semi-solide, quasi-solide et à électrolyte solide ne sont pas toujours employées de façon cohérente ; la construction importe donc davantage que l’appellation commerciale.

SEI et CEI : les interfaces qui permettent à la cellule de fonctionner

L’électrolyte n’est pas parfaitement stable aux potentiels de fonctionnement des électrodes. Lors de la recharge initiale, une partie de l’électrolyte se décompose et forme de fines couches de réaction à leur surface.

La couche sur l’électrode négative est l’interface électrolyte solide, ou SEI. Une couche apparentée sur l’électrode positive est généralement appelée interface cathode-électrolyte, ou CEI.

Une interface fonctionnelle doit :

Conduire les ions lithium ou sodium
Bloquer la majeure partie du flux d’électrons
Limiter la décomposition continue de l’électrolyte
Rester mécaniquement et chimiquement stable au fil des cycles

La création de la SEI consomme une partie du lithium ou du sodium actif, ce qui provoque une partie de la perte de capacité initiale de la cellule. Si l’interface se fissure ou se dissout, davantage d’électrolyte et d’ions actifs sont consommés pour la réparer.

Cette difficulté est particulièrement importante avec le silicium, car l’électrode négative change de volume. Elle se présente aussi aux tensions élevées de l’électrode positive, où l’oxydation de l’électrolyte et la dissolution des métaux de transition peuvent endommager les deux côtés de la cellule. Les additifs d’électrolyte, les revêtements, les procédures de formation et les limites de fonctionnement sont donc des éléments essentiels de la chimie, même s’ils n’apparaissent pas dans son acronyme. (Nature Communications)

Séparateur

Le séparateur est une fine membrane électriquement isolante située entre les électrodes positive et négative. Ses pores retiennent l’électrolyte et laissent passer les ions, tandis que la membrane empêche tout contact direct entre les électrodes.

Les séparateurs lithium-ion courants utilisent du polyéthylène, du polypropylène ou des combinaisons multicouches. Des revêtements céramiques peuvent améliorer la résistance à la chaleur, le mouillage, la résistance mécanique ou la stabilité dimensionnelle.

Certains séparateurs polymères sont conçus pour que leurs pores se ferment lorsque la température augmente, ce qui accroît fortement la résistance et ralentit la réaction électrochimique. Ce comportement d’arrêt thermique peut ajouter une protection, mais il ne constitue pas un système de sécurité complet. Si le séparateur continue à se rétracter, se déchire, est perforé ou est endommagé avant que l’arrêt thermique puisse agir, un court-circuit interne peut encore se produire. Les recherches sur les séparateurs lithium-ion décrivent à la fois cet arrêt et le risque de défaillance à des températures plus élevées. (ACS Omega)

Les propriétés du séparateur influencent également le fonctionnement normal. Son épaisseur, sa porosité, sa tortuosité, son mouillage par l’électrolyte, sa résistance à la perforation et l’uniformité de son revêtement affectent toutes la résistance, la recharge, la densité énergétique, la qualité de production et la sécurité.

Collecteurs de courant

Les collecteurs de courant sont de fines feuilles métalliques qui transportent les électrons entre les revêtements d’électrode et les bornes de la cellule.

Dans les cellules lithium-ion conventionnelles :

L’électrode négative est normalement déposée sur une feuille de cuivre
L’électrode positive est normalement déposée sur une feuille d’aluminium

Le cuivre est utilisé du côté du graphite, car l’aluminium peut former un alliage avec le lithium au faible potentiel d’une électrode en graphite chargée. L’aluminium est plus léger et stable au potentiel plus élevé de l’électrode positive.

Le LTO fonctionne à un potentiel plus élevé et peut utiliser de l’aluminium du côté de l’électrode négative, comme l’indique l’évaluation du lithium-ion du US Department of Energy. (US Department of Energy)

L’épaisseur du collecteur impose un autre compromis. Une feuille plus fine réduit la masse inactive et peut améliorer la densité énergétique, mais elle doit résister au revêtement, au séchage, au calandrage, à l’enroulement ou à l’empilage, au soudage des languettes et à des années de cycles.

Comparaison des principaux systèmes de cellules pour véhicules électriques

Aucune famille de cellules ne domine tous les critères. Les profils suivants décrivent des tendances courantes et non des propriétés garanties.

Graphite ou graphite-silicium avec NMC, NCA ou NCMA

Atouts typiques : densité énergétique élevée, forte puissance et vaste expérience automobile.

Limites typiques : dépendance plus importante au nickel et parfois au cobalt ; exigences plus strictes en matière de gestion thermique, de contrôle de la tension et de stabilité des interfaces à mesure que la teneur en nickel et la tension de cellule augmentent.

Cette combinaison est intéressante lorsque l’autonomie et l’efficacité de l’intégration sont prioritaires. Le silicium peut ajouter de la capacité, mais une plus grande quantité de silicium accentue aussi les difficultés de gonflement et d’interface.

Graphite avec LFP

Atouts typiques : stabilité thermique, potentiel de longue durée de vie en cycles, forte puissance et absence de nickel ou de cobalt dans l’électrode positive.

Limites typiques : densité énergétique plus faible au niveau de la cellule et courbe de tension plate qui complique l’estimation de l’état de charge.

Le LFP peut être très compétitif au niveau du pack lorsqu’une intégration efficace de type cellule-à-pack compense une partie de l’écart de densité énergétique au niveau de la cellule.

Graphite avec LMFP

Atouts typiques : potentiel énergétique supérieur au LFP tout en conservant une structure phosphate et en évitant le nickel et le cobalt.

Limites typiques : conductivité, stabilité du manganèse et base industrielle à grande échelle moins mature que celle du LFP établi.

Sa position dépendra de la capacité des fabricants à exploiter l’avantage de tension sans sacrifier la durée de vie, l’efficacité ni le coût.

LTO avec une électrode positive lithium-ion

Atouts typiques : recharge rapide, forte puissance, faible risque de dépôt de lithium et potentiel de très longue durée de vie en cycles.

Limites typiques : faible tension de cellule et faible densité énergétique, ce qui augmente la masse et le volume du pack pour une quantité donnée d’énergie stockée.

Ce système convient mieux aux cycles d’utilisation exigeants qu’aux véhicules électriques particuliers à grande autonomie, pour lesquels l’efficacité de l’intégration est essentielle.

Carbone dur avec une électrode positive sodium-ion

Atouts typiques : possibilité d’utiliser des matériaux abondants, dépendance réduite au lithium et au nickel dans de nombreuses conceptions, et performances prometteuses en puissance ou par temps froid pour certaines cellules.

Limites typiques : densité énergétique inférieure à celle des meilleures cellules lithium-ion, perte de sodium au premier cycle et écosystème de production en développement.

La famille exacte de cathodes fait une grande différence ; l’appellation « sodium-ion » ne constitue donc pas une spécification suffisante à elle seule.

Lithium métallique et architectures à électrolyte solide

Atouts typiques : potentiel de densité énergétique supérieure et, dans certaines conceptions à électrolyte solide, caractéristiques différentes en matière de sécurité et d’intégration.

Limites typiques : résistance des interfaces, dépôt irrégulier du lithium, gestion de la pression, durabilité, exigences de température et difficulté de fabrication à grande échelle.

Ces deux concepts se recoupent, mais ne sont pas interchangeables. Toute comparaison doit préciser les deux électrodes, le type d’électrolyte, les conditions d’essai, la taille de la cellule, la capacité conservée et si les chiffres concernent un matériau, une cellule de laboratoire ou une cellule de taille automobile.

Ce que la chimie signifie pour l’acheteur d’un véhicule électrique

La chimie influence un véhicule électrique, mais ne permet pas à elle seule de prévoir toute l’expérience de possession.

Autonomie et intégration

Une densité énergétique plus élevée des cellules peut fournir davantage d’autonomie pour une masse et un volume de pack donnés. La capacité utilisable, la structure du pack, les équipements de refroidissement, la protection contre les collisions, l’efficacité du véhicule et les réserves comptent cependant aussi.

Une cellule à plus faible énergie bien intégrée peut donc produire un pack compétitif, tandis qu’une cellule à forte énergie peut perdre une partie de son avantage du fait d’un refroidissement plus lourd ou de limites de fonctionnement prudentes.

Recharge

La recharge rapide dépend de la capacité de l’électrode négative à accepter les ions, des limites de transport de l’électrode positive, de l’épaisseur des électrodes, de la résistance interne, de la température, de l’état de charge et de la stratégie de gestion de la batterie.

La chimie contribue à définir les limites, mais les performances de recharge de la batterie et le système de préconditionnement en disent davantage sur un véhicule électrique particulier. Deux voitures équipées de cellules LFP ou NMC peuvent avoir des temps de recharge très différents.

Temps froid

Une faible température ralentit le transport des ions et augmente la résistance. Elle accroît également le risque de dépôt de lithium pendant la recharge des cellules à base de graphite.

Certaines chimies et certains électrolytes tolèrent mieux le froid que d’autres, mais le chauffage du pack et le logiciel peuvent peser davantage que l’appellation chimique. Comparez le comportement réel des véhicules, notamment leur capacité à préchauffer la batterie avant une recharge rapide.

Durabilité

La durée de vie en cycles dépend de la profondeur de décharge, de la vitesse de recharge, de la température des cellules, de l’état de charge moyen, du temps passé près des limites de tension et de la plage utilisable définie par le constructeur.

Une chimie affichant une excellente durée de vie en cycles en laboratoire peut mal vieillir dans un pack chaud maintenu à un état de charge élevé. À l’inverse, des réserves prudentes et un refroidissement efficace peuvent aider une chimie plus réactive à durer de nombreuses années. Consultez Dégradation de la batterie pour les mécanismes de vieillissement et Garantie de la batterie pour la protection accordée au propriétaire.

Sécurité

Certains matériaux d’électrode positive sont plus stables thermiquement que d’autres, mais la sécurité du véhicule ne peut pas être classée à partir du seul acronyme de la cathode. La qualité des cellules, la conception du séparateur, la quantité d’électrolyte, les barrières contre la propagation, les capteurs, le refroidissement, la protection électrique, la structure anticollision et le logiciel y contribuent tous.

La structure phosphate stable du LFP est un avantage, mais ne rend pas un pack impossible à endommager ou à enflammer. Les cellules riches en nickel exigent des contrôles plus stricts, mais un pack bien conçu peut maîtriser ces risques.

Coût et exposition aux matériaux

Le LFP et plusieurs conceptions sodium-ion évitent le nickel et le cobalt, tandis que les oxydes lamellaires riches en nickel utilisent des matériaux exigeant davantage de transformation en échange d’une énergie élevée. Le coût du pack comprend toutefois aussi le rendement de fabrication des cellules, l’utilisation des usines, la structure du pack, l’électronique, le refroidissement, le risque lié à la garantie et l’échelle de production.

La composition en matières premières fait donc partie de l’équation des coûts, mais ne constitue pas la réponse complète.

Une même appellation peut masquer de grandes différences

Lorsque vous comparez deux véhicules électriques, ne vous arrêtez pas aux mentions « LFP » ou « NMC » et demandez-vous :

Quelles sont les capacités brute et utilisable de la batterie ?
Quelle autonomie offre le véhicule complet ?
À quoi ressemble la courbe de recharge par temps chaud et froid ?
Le véhicule prend-il en charge le préconditionnement de la batterie ?
Quelle est la taille des réserves supérieure et inférieure ?
Comment le constructeur contrôle-t-il la température ?
Quelle garantie de batterie et quel seuil de dégradation s’appliquent ?
Les performances annoncées sont-elles mesurées au niveau de la cellule ou du pack ?

La chimie explique pourquoi certains compromis existent. La cellule, le pack et le véhicule finis déterminent comment ces compromis se manifestent au quotidien.

Pour découvrir comment ces matériaux sont conditionnés et connectés, poursuivez avec Formats de cellules et Pack batterie et configuration.