Les batteries Li-ion sont constituées d’éléments chimiques, les cellules, qui présentent une dégradation calendaire même si les batteries ne sont pas utilisées. Ces phénomènes sont à prendre en considération lors du stockage de ces batteries.
Cet article présente ces phénomènes et leur impact sur les méthodologies de stockage. Nous introduisons également une évolution de ces méthodes permettant de réduire leur dégradation tout en maintenant les coûts d’exploitation.
On se focalisera sur les deux chimies les plus utilisées à l’heure actuelle : NMC et LFP.
Dégradation des batteries Li-ion en stockage
Trois types de dégradation se présentent en stockage :
- une perte de la charge stockée dans la batterie (phénomène réversible)
- une dégradation liée à une décharge trop importante de la batterie, qu’on appelle décharge profonde (phénomène irréversible)
- une dégradation calendaire de l’état de santé de la batterie (phénomène irréversible)
Phénomène de perte de charge
Du fait de divers phénomènes chimiques, une partie de l’énergie stockée dans la batterie ne peut plus être régénérée ce qui revient à une perte du niveau de charge de la batterie, nommée communément SOC ou State of Charge. Voici les taux d’auto-décharge communément rencontrés sur les batteries :
| Chimie | Perte de charge à 25°C |
|---|---|
| NMC | Entre 5% et 8% par an suivant le type de cellule et son état |
| LFP | Entre 2,5% et 3,5% par an suivant le type de cellule et son état |
A noter que la vitesse de perte de charge n’est pas stable dans le temps pour deux raisons :
- la perte de charge est plus rapide pendant les premiers mois de stockage d’une batterie neuve. En effet les cellules batterie sont encore dans une période de formation chimique
- la perte de charge se réduit dans le temps car elle est dépendante du niveau de charge de la batterie qui diminue
Ce phénomène n’est pas grave en soit puisqu’il est réversible par une recharge ultérieure de la batterie. Néanmoins il induit une perte d’énergie et surtout, sans supervision de la batterie, il peut amener la batterie dans une condition de décharge profonde.
Décharge profonde
Une cellule batterie NMC ou LFP nécessite de garder une certaine tension à ses bornes pour préserver sa couche d’interface solide-electrolyte (SEI). Cela se traduit par le fait que sa décharge ne peut descendre en dessous d’un certains niveau. C’est ce niveau qu’on fixe comme le niveau 0% du SOC.
Si on descend en dessous de ce niveau la cellule se dégrade. Elle peut même présenter des risques de sécurité si elle est réutilisée.
Cela implique qu’une batterie ayant présentée une décharge profonde est irrémédiablement perdue et envoyée en recyclage.
Dégradation de l’état de santé
Des réactions chimiques irréversibles ont lieu dans les cellules provoquant une perte de capacité dans le temps, que les batteries soient utilisées ou non utilisées. Les niveaux communément rencontrés sont les suivants :
| Chimie | Perte de capacité à 25°C |
|---|---|
| NMC | Entre 2,5% et 4% par an suivant le format et le type de cellule |
| LFP | Entre 1% et 1,8% par an suivant le format et le type de cellule |
Cette perte de capacité nuit aux performances de la batterie qui perdra entre 10% et 40% de sa capacité pour un stockage long. Sa valeur intrinsèque en est donc d’autant réduite.
Paramètres influençant les phénomènes de dégradation
Essentiellement 3 paramètres jouent sur les phénomènes précédemment cités.
Impact de l’usure de la batterie
L’usure de la batterie se mesure en nombre de cycles complets de charge-décharges. En général la durée de vie d’une batterie se compte en plusieurs milliers de cycles de charge / décharge.
Comme on peut s’y attendre, l’usure de la batterie influe négativement sur les phénomènes de perte de charge et de dégradation de sa santé.
A minima, les procédures de vérification et recharge des batteries en stockage long sont donc à adapter en fonction de l’usure de la batterie.
Impact de la température de stockage
La température de stockage a un impact important sur la dégradation des batteries. Au plus la température de stockage est importante, au plus les dégradations sont rapides.
Ce phénomène est plus marqué pour les cellules NMC qui sont moins stables en température :
ll convient donc de stocker les batteries à des températures basses.
Les températures négatives ( < 0°C) sont cependant à éviter car elles induisent d’autres types de dégradation des cellules.
Impact du niveau de charge
Le niveau de charge de la batterie a également un impact important sur la dégradation de la batterie. Une quantité d’énergie stockée faible, donc un niveau de charge faible, réduit la vitesse de dégradation.
Sécurité des batteries
En cas d’incident sur une batterie (choc physique, choc thermique, défaut, …), les phénomènes d’embrasement voire d’explosion auront une intensité proportionnelle au niveau de charge de la batterie. Il est donc préférable de réaliser un stockage avec des niveaux de charge faible pour réduire les risques.
Conditions de stockage communément utilisés
Les conditions communément rencontrées pour des batteries NMC ou LFP sont les suivantes :
- Batteries déjà utilisées séparées des batteries neuve
- Charge de la batterie initiale : entre 30% et 50%
- Charge des batteries pour mise en sécurité : < 30% (incompatible)
- Température de stockage : entre 15°C et 25°C
- Vérification à intervalle régulier (tous les ans, 2 ans, 3 ans) du niveau de charge avec recharge éventuelle
Ces conditions sont un compromis entre coûts de stockage et dégradation des batteries. La température de stockage demandée nécessite néanmoins un entrepôt climatisée qu’on n’a pas l’habitude de trouver par exemple dans le cadre du stockage de pièces automobiles.
Amélioration du process
Réduction de la charge initiale
la réduction de la charge à une plage entre 5% et 25% (plutôt que 30%-50%) réduit les dégrations à tout niveau :
- la perte de charge est plus lente à faible charge. La perte de charge annuelle est divisée environ par 2 que ce soit pour les cellules NMC que LFP. Cela signifie que les intervalles entre chaque recharges peuvent être rallongés.
| Division par 2 du nombre de recharges en entrepôt |
- la charge étant faible, l’impact d’un éventuel emballement thermique est limitée
| Critères de sécurité respectées, sécurité améliorée |
- la charge plus faible réduit le phénomène d’usure
| Division par 2,5 de l’usure irréversible |
Monitoring actif des batteries
Un monitoring des batteries permet d’éviter des pertes d’équipements. En effet la nouvelle plage de référence se rapproche du 0% de recharge ce qui laisse moins de marge et de temps pour détecter une batteries se rapprochant d’un état de décharge profonde.
Pour éviter à coup sûr ce risque, une mesure régulière et automatique devient nécessaire.
| Le monitoring automatique évite le risque de décharge profonde |
Par ailleurs le monitoring automatique permet également d’adapter les intervalles de recharge à chaque batterie. C’est particulièrement intéressant pour permettre de gérer de façon optimale des batteries ayant des états d’usure variables.
| Le monitoring permet de stocker ensemble des batteries de tout niveau d’usure |
Conclusion
Le passage à une plage de charge de 5 à 25% en stockage couplé à un monitoring des batteries permet de réduire l’usure des batteries Li-ion stockées tout en réduisant au maximum les périodes de recharge éventuelles.
Même si l’objectif de réduire l’usure de la batterie au maximum n’est pas forcément un objectif impérieux, il peut accompagner des mesures d’optimisation des coûts de gestion de ces batteries. Grâee à l’optimisation indiquée ci-dessus on peut également se donner la possibilité de réduire les exigences de température de stockage ce qui signifie un coût moindre de climatisation / chauffage.
Annexe : Documents de référence
- Reversible Self-discharge of LFP/Graphite and NMC811/Graphite Cells Originating from Redox Shuttle Generation
- Analysis of Lithium-ion Battery Cells Degradation Based on Different Manufacturers
- Étude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications ”véhicule électrique” : combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage