Cette TechLetter se concentrera sur la gestion thermique des batteries. En effet, les performances et la durée de vie des batteries sont fortement influencées par la température des cellules. Il est donc important de contrôler la température des cellules afin de garantir une bonne productivité des équipements électriques et une bonne rentabilité en contrôlant la durée de vie des batteries.
Quelle est l'importance de la gestion thermique des batteries dans les applications lourdes ?
Une mauvaise gestion thermique des batteries Li-ion entraîne les problèmes suivants :
- Perte de capacité en hiver (20 à 60 %)
- Surchauffe empêchant la charge de la batterie, en particulier en été
- La charge rapide s'est arrêtée prématurément en raison d'une surchauffe de la batterie.
- Pas de possibilité de recharge rapide sans affecter la durée de vie de la batterie
- Grande différence de température entre les cellules à l'intérieur d'un bloc-batterie, entraînant un vieillissement accéléré et, par conséquent, une perte de capacité prématurée.
- Surchauffe désactivant la batterie, en particulier lors puissance haute puissance
- Impossible de recharger à basse température
- Réduction significative de la durée de vie de la batterie.
Si vous avez rencontré ce genre de problèmes, lisez attentivement les lignes suivantes.
Comment une cellule lithium-ion stocke-t-elle l'énergie ?
Le principe des cellules lithium-ion repose sur le déplacement des ions lithium d'une électrode à l'autre par diffusion dans un électrolyte liquide à travers un séparateur électriquement isolant, comme illustré dans l'image ci-dessous. Lors du chargement de la cellule, les ions sont poussés dans le matériau actif de l'électrode négative (anode) ; lors du déchargement de la cellule, les ions sont poussés dans le matériau actif de l'électrode positive (cathode).
La structure moléculaire des matériaux actifs au niveau des deux électrodes permet aux ions lithium de s'insérer dans les sites libres du matériau. Comme vous pouvez le voir, les matériaux actifs (graphite etLiM02 sur l'image ci-dessus) sont recouverts d'électrodes métalliques (cuivre pour le graphite et aluminium pour leLiMO2). L'augmentation de l'épaisseur des matériaux actifs entraîne une augmentation du nombre de sites pouvant stocker des ions lithium pour un même volume d'autres matériaux (électrodes, séparateur, etc.). Cela conduit à une cellule Li-ion à plus haute densité énergétique. Comme les électrodes sont plus épaisses, les ions lithium doivent parcourir une plus grande distance à travers le matériau, ce qui augmente la résistance électrique interne de la cellule. À l'inverse, des électrodes plus fines permettent des taux de charge et de décharge plus rapides, mais limitent la densité énergétique, ce qui se traduit par une puissance haute puissance .
Influence de la basse température sur les performances des batteries
Certains d'entre vous ont peut-être remarqué que leur smartphone perd rapidement de son énergie dans des conditions très froides (journée de ski, hiver rigoureux...). En effet, les cellules Li-ion à haute énergie utilisent des électrodes très épaisses, et les ions lithium ont plus de mal à accéder aux sites d'insertion libres situés profondément à l'intérieur des électrodes. L'accès à ces sites devient impossible à basse température en raison de la résistance accrue dans l'électrolyte plus visqueux et de la diffusion plus difficile dans les matériaux actifs moins flexibles. La figure ci-dessous montre le chemin que les ions doivent suivre pour atteindre les sites d'insertion des matériaux actifs plus profonds.
Les cellules lithium-ion présentent donc une capacité nettement inférieure à basse température, ce qui peut être facilement mesuré. Ce phénomène est amplifié pour les cellules à haute énergie, qui possèdent les électrodes les plus épaisses. Les chiffres types sont indiqués dans le tableau ci-dessous.
| Cellule | Haute énergie | Longue vie | Puissance |
| Capacité à 25 °C | 100 | 80 | 33 |
| Capacité à -10 °C | 60 | 64 | 30 |
En raison de la résistance interne accrue de l'électrode négative, la charge à basse température (environ 5 °C ou moins) peut entraîner un dépôt de lithium sur l'électrode négative. Le dépôt de lithium vieillit la cellule en consommant des ions lithium qui ne sont plus disponibles pour stocker de l'énergie. Mais surtout, le placage de lithium peut entraîner la formation de dendrites et provoquer un court-circuit interne de la cellule (pour plus d'informations, consultez ce livre blanc Elsevier de Xianke Lin et al.). Dans le meilleur des cas, le court-circuit interne peut entraîner une fin de vie prématurée de la cellule et, dans le pire des cas, un emballement thermique, provoquant un incendie et/ou une explosion de la batterie.
Influence des températures élevées sur les performances des batteries
Comme expliqué dans notre précédente TechLetter sur le vieillissement des batteries lithium-ion, de nombreuses études montrent que le vieillissement de tout type de batterie Li-ion est divisé par 2 à 3 entre une utilisation à 25 °C et la même utilisation à 45 °C (par exemple : Elsevier – Transportation Research Part B 103 (2017) 158–187 ou la thèse de doctorat d'Arnaud Devie http://www.theses.fr/2012LYO10231 ).
De plus, pour des raisons de sécurité, les batteries Li-ion ne peuvent pas être utilisées au-delà d'une température maximale définie afin d'éviter tout emballement thermique (voir la lettre technique sur la sécurité des batteries pour plus d'informations). C'est pourquoi la plupart des cellules Li-ion ne peuvent pas être chargées au-delà de 45 °C et ne peuvent pas être déchargées au-delà de 60 °C.
La cellule la plus faible limite les performances de l'ensemble de la batterie.
Une batterie est composée de nombreuses cellules lithium-ion connectées en série et en parallèle afin d'atteindre la puissance l'énergie requises (voir la TechLetter sur les systèmes de batterie pour plus d'informations). Comme l'illustre la figure ci-dessous, toutes les cellules connectées en série reçoivent le même courant ; ainsi, si une cellule a une capacité inférieure à celle des autres, elle atteindra sa fin de décharge avant les autres et limitera les performances de l'ensemble de la batterie.
Source : Nouveau Cell Équilibrage Chargement Système Recherche pour batteries lithium-ion par Chan-Yong Zun, Sang-Uk Park et Hyung-Soo Mok
Il est donc essentiel de veiller à ce que les cellules vieillissent de manière très homogène afin de maximiser la durée de vie du bloc-batterie. La gestion thermique du bloc-batterie doit garantir que toutes les cellules fonctionnent à la même température.
Conclusion
En raison du phénomène physique impliqué dans les cellules lithium-ion, la température a un impact considérable sur leurs performances et leur vieillissement. Le contrôle de la température tout au long de la durée de vie de la batterie est donc essentiel pour les applications nécessitant des performances constantes et une longue durée de vie. Ce contrôle de la température doit garantir que les températures des cellules sont très homogènes dans l'ensemble du bloc-batterie afin que les performances globales ne soient pas limitées par la cellule la plus vieillie.
Le refroidissement par air des batteries n'est pas suffisamment efficace. Le refroidissement par eau entraîne, de par sa conception, un écart de température important entre les cellules et augmente les risques d'incendie en cas de fuite d'eau dans la batterie.
Grâce à un refroidissement par immersion et à une architecture de refroidissement brevetée garantissant une température très homogène dans l'ensemble du bloc-batterie, la technologie WATTALPS offre des performances élevées et une durée de vie prolongée, tout en améliorant la sécurité globale de la batterie.
Plus d'informations sur les performances de refroidissement de WATTALPS dans une prochaine TechLetter qui sera publiée cet été.
