Le secret de la longue durée de vie des batteries rechargeables réside peut-être dans l’acceptation de la différence. Une nouvelle modélisation de la façon dont les cellules lithium-ion d’un pack se dégradent montre un moyen d’adapter la charge à la capacité de chaque cellule afin que les batteries de véhicules électriques puissent gérer plus de cycles de charge et éviter les défaillances.

Par Adam Hadhazy

Des chercheurs de l’Université de Stanford ont mis au point une nouvelle façon de prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion et de réduire la détérioration due à une charge rapide.

La recherche, publié Le 5 novembre, dans IEEE Transactions on Control Systems Technology, montre comment la gestion active de la quantité de courant électrique circulant vers chaque cellule d’un pack, plutôt que de fournir une charge uniforme, peut minimiser l’usure. L’approche permet efficacement à chaque cellule de vivre sa meilleure – et la plus longue – vie.

Selon le professeur de Stanford et auteur principal de l’étude Simona Onori, les simulations initiales suggèrent que les batteries gérées avec la nouvelle technologie pourraient gérer au moins 20% plus de cycles de charge-décharge, même avec une charge rapide fréquente, ce qui exerce une pression supplémentaire sur la batterie.

La plupart des efforts précédents pour prolonger la durée de vie de la batterie des voitures électriques se sont concentrés sur l’amélioration de la conception, des matériaux et de la fabrication de cellules individuelles, en partant du principe que, comme les maillons d’une chaîne, une batterie est aussi bonne que sa cellule la plus faible. La nouvelle étude commence par comprendre que si les maillons faibles sont inévitables – en raison des imperfections de fabrication et parce que certaines cellules se dégradent plus rapidement que d’autres lorsqu’elles sont exposées à des stress comme la chaleur – ils n’ont pas besoin de faire tomber tout le paquet. La clé est d’adapter les taux de charge à la capacité unique de chaque cellule pour éviter les défaillances.

« Si elles ne sont pas correctement traitées, les hétérogénéités de cellule à cellule peuvent compromettre la longévité, la santé et la sécurité d’une batterie et induire un dysfonctionnement précoce de la batterie », a déclaré Onori, professeur adjoint d’ingénierie des sciences de l’énergie à l’ École de durabilité Stanford Doerr. « Notre approche égalise l’énergie dans chaque cellule du pack, amenant toutes les cellules à l’état de charge final ciblé de manière équilibrée et améliorant la longévité du pack. »

Inspiré pour construire une batterie d’un million de miles

Une partie de l’impulsion pour la nouvelle recherche remonte à une annonce en 2020 par Tesla, la société de voitures électriques, de travaux sur une « batterie d’un million de milles ». Il s’agirait d’une batterie capable d’alimenter une voiture pendant 1 million de miles ou plus (avec une charge régulière) avant d’atteindre le point où, comme la batterie lithium-ion d’un vieux téléphone ou ordinateur portable, la batterie du véhicule électrique contient trop peu de charge pour être fonctionnelle.

Une telle batterie dépasserait la garantie typique des constructeurs automobiles pour les batteries de véhicules électriques de huit ans ou 100 000 miles. Bien que les batteries durent régulièrement plus longtemps que leur garantie, la confiance des consommateurs dans les véhicules électriques pourrait être renforcée si les remplacements coûteux des batteries devenaient encore plus rares. Une batterie qui peut encore tenir une charge après des milliers de recharges pourrait également faciliter l’électrification des camions longue distance et l’adoption de systèmes dits de véhicule au réseau, dans lesquels les batteries de véhicules électriques stockeraient et distribueraient de l’énergie renouvelable pour le réseau électrique.

« Il a été expliqué plus tard que le concept de batterie d’un million de miles n’était pas vraiment une nouvelle chimie, mais juste un moyen de faire fonctionner la batterie en ne lui faisant pas utiliser toute la plage de charge », a déclaré Onori. Des recherches connexes se sont concentrées sur les cellules lithium-ion simples, qui ne perdent généralement pas leur capacité de charge aussi rapidement que les batteries pleines.

Intriguée, Onori et deux chercheurs de son laboratoire – le chercheur postdoctoral Vahid Azimi et le doctorant Anirudh Allam – ont décidé d’étudier comment la gestion inventive des types de batteries existants pourrait améliorer les performances et la durée de vie d’une batterie complète, qui peut contenir des centaines ou des milliers de cellules.

Un modèle de batterie haute fidélité

Dans un premier temps, les chercheurs ont conçu un modèle informatique haute fidélité du comportement de la batterie qui représentait avec précision les changements physiques et chimiques qui se produisent à l’intérieur d’une batterie au cours de sa vie opérationnelle. Certains de ces changements se déroulent en quelques secondes ou minutes – d’autres au fil des mois, voire des années.

« À notre connaissance, aucune étude antérieure n’a utilisé le type de modèle de batterie haute fidélité et multi-échelle de temps que nous avons créé », a déclaré Onori, directeur du Laboratoire de contrôle de l’énergie de Stanford.

L’exécution de simulations avec le modèle a suggéré qu’une batterie moderne peut être optimisée et contrôlée en embrassant les différences entre ses cellules constitutives. Onori et ses collègues envLeur modèle sera utilisé pour guider le développement de systèmes de gestion de batterie dans les années à venir qui peuvent être facilement déployés dans les conceptions de véhicules existantes.

Les véhicules électriques ne sont pas les seuls à en bénéficier. Pratiquement n’importe quelle application qui « sollicite beaucoup la batterie » pourrait être un bon candidat pour une meilleure gestion éclairée par les nouveaux résultats, a déclaré Onori. Un exemple ? Avion de type drone à décollage et atterrissage verticaux électriques, parfois appelé eVTOL, que certains entrepreneurs s’attendent à exploiter comme taxis aériens et à fournir d’autres services de mobilité aérienne urbaine au cours de la prochaine décennie. Pourtant, d’autres applications pour les batteries lithium-ion rechargeables invitent, y compris l’aviation générale et le stockage à grande échelle d’énergie renouvelable.

« Les batteries lithium-ion ont déjà changé le monde de tant de façons », a déclaré Onori. « Il est important que nous tirions le meilleur parti possible de cette technologie transformatrice et de ses successeurs à venir. »

Azimi est maintenant chercheur chez Gatik, une entreprise de logistique B2B court-courrier à Mountain View, en Californie. Allam est maintenant chercheur sur les batteries chez Archer Aviation, une société aéronautique eVOTL basée à San Jose, en Californie.

Cette recherche a été soutenue par LG Chem (maintenant LG Energy Solution).