Augmenter de 50 % la durée de vie des batteries lithium-ion en les chargeant à fort courant

 (eurekalert.org)
2 points par GN⁺ 2024-09-10 | 1 commentaires | Partager sur WhatsApp
  • En modifiant les conditions de la première charge, dernière étape de la fabrication des batteries, la durée de vie moyenne a augmenté de 50 %, tandis que le temps de charge initial est passé de 10 heures à 20 minutes
  • Cette étape correspond au processus de formation qui crée la couche protectrice SEI à la surface de l’anode, et influence fortement les performances de charge/décharge ultérieures ainsi que la vitesse de dégradation
  • Une analyse scientifique par machine learning a réduit les variables clés des conditions de première charge à la température et au courant ; la charge à fort courant fait passer l’inactivation initiale du lithium d’environ 9 % à environ 30 %
  • Une perte initiale de lithium plus importante peut sembler désavantageuse à court terme, mais elle crée de la marge dans la cathode, ce qui rend ensuite le cyclage des électrodes plus efficace
  • Les pratiques de fabrication qui privilégiaient une première charge à faible courant pourraient être réexaminées afin d’optimiser à la fois la durée de vie et l’efficacité de fabrication

Les conditions de la première charge changent la durée de vie et le temps de fabrication

  • La première charge d’une batterie lithium-ion détermine à quel point elle fonctionnera ensuite de manière stable et combien de cycles de charge/décharge elle pourra supporter avant de se dégrader
  • Des chercheurs du SLAC-Stanford Battery Center ont constaté, dans une étude publiée dans Joule, qu’une première charge d’une batterie neuve avec un courant anormalement élevé augmentait sa durée de vie moyenne de 50 %
  • Dans les mêmes conditions, le temps de charge initial est passé de 10 heures à 20 minutes
  • L’étude a été menée par l’équipe SLAC/Stanford, avec la participation de chercheurs du Toyota Research Institute (TRI), du MIT et de l’University of Washington

L’étape de formation où se crée la couche protectrice SEI

  • L’équipe de recherche a fabriqué des cellules pouch, dans lesquelles la cathode et l’anode sont entourées d’une solution électrolytique, afin d’observer les changements qui surviennent lors des premiers cycles
  • Lors de la charge de la batterie, les ions lithium se déplacent vers l’anode pour y être stockés ; lors de la décharge, ils retournent vers la cathode et génèrent un flux d’électrons
  • La cathode d’une batterie neuve est au départ remplie à 100 % de lithium, et une partie de ce lithium devient inactive à mesure que les cycles de charge/décharge se répètent
  • Une partie de la perte initiale de lithium sert à former, à la surface de l’anode, une couche souple appelée solid electrolyte interphase (SEI)
    • La SEI protège l’anode contre les réactions secondaires
    • Ces réactions secondaires peuvent accélérer la perte de lithium et dégrader plus rapidement la batterie
  • La première charge est l’étape de formation, dernière étape du procédé de fabrication ; si cette étape échoue, toute la valeur et tous les efforts investis jusque-là dans la batterie sont perdus

Différence entre la pratique du faible courant et l’expérience à fort courant

  • Les fabricants ont généralement effectué la première charge des batteries neuves à faible courant, selon l’approche consistant à créer la couche SEI la plus robuste possible
  • La charge à faible courant prend beaucoup de temps et coûte cher, sans toujours produire un résultat optimal
  • Des travaux récents ont montré qu’une charge rapide à courant plus élevé peut ne pas dégrader les performances de la batterie, et cette étude analyse plus en profondeur pourquoi
  • Des dizaines de variables interviennent dans la formation de la SEI lors de la première charge, ce qui rend difficile de tester toutes les combinaisons en laboratoire

Le machine learning réduit les variables clés à la température et au courant

  • L’équipe a utilisé le machine learning scientifique pour identifier les variables les plus importantes dans l’obtention de bons résultats
  • Parmi les nombreuses variables, la température et le courant de charge se sont révélés avoir une influence particulièrement forte
  • La première charge à fort courant a eu un effet net, en augmentant de 50 % la durée de vie moyenne des batteries testées
  • Les conditions à fort courant ont porté le taux d’inactivation initiale du lithium d’environ 9 % avec les méthodes classiques à environ 30 %, mais ce changement a au contraire conduit à de meilleures performances

Comment une perte initiale plus importante améliore ensuite l’efficacité

  • La méthode consistant à inactiver davantage d’ions lithium au départ est comparée au fait de retirer un peu d’eau d’un seau plein avant de le déplacer
  • Tout comme l’espace libre dans le seau évite que l’eau n’éclabousse pendant le déplacement, l’inactivation de davantage de lithium lors de la formation de la SEI crée de la marge dans la cathode
  • Cette marge aide les électrodes à fonctionner plus efficacement lors des cycles ultérieurs et améliore les performances qui suivent
  • Plutôt que de simplement trouver les conditions qui produisent une bonne batterie, il faut comprendre comment elles fonctionnent pour les appliquer plus facilement au procédé de fabrication
  • Cette compréhension est nécessaire pour rééquilibrer le compromis entre performances des batteries et efficacité de fabrication

Vers une optimisation du procédé de fabrication

  • La fabrication des batteries est un processus gourmand en capital, en énergie et en temps, et la mise en service de nouvelles lignes de production prend elle aussi beaucoup de temps
  • Les variables de procédé sont nombreuses, ce qui rend difficile la recherche des conditions optimales
  • Ces résultats proposent une approche généralisable pour comprendre et optimiser la première charge, une étape importante de la fabrication des batteries
  • TRI indique que les enseignements tirés de cette étude pourraient à l’avenir être transférés à de nouveaux procédés, installations, équipements et chimies de batteries
  • L’étude a été financée par le programme Accelerated Materials Design and Discovery du Toyota Research Institute

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1 commentaires

 
GN⁺ 2024-09-10
Commentaires sur Hacker News

  • Pour avoir un peu travaillé dans le secteur, je suis assez sceptique vis-à-vis de cette étude. Si c’était vrai, d’autres études ou expériences antérieures avec des conditions de charge initiale différentes auraient déjà dû montrer de meilleures performances de dégradation, et j’ai clairement vu des cas de ce genre
    En plus, il faut aussi voir dans quelle mesure l’augmentation de la couche d’interface électrolyte solide (SEI) modifie l’impédance de la cellule, au point de réduire ensuite la vitesse de charge et la capacité réellement utilisable

    • D’accord. Avec ce seul résumé, on n’explique pas assez la contradiction avec des dizaines d’autres tests en laboratoire. J’ai plusieurs lots de cellules 21700 de différents fabricants (Samsung/Sony/Panasonic) et je mène des essais de vieillissement depuis plus de deux ans
      Ce qu’on observe systématiquement dans toutes les chimies lithium-ion et lithium-polymère, c’est qu’une décharge profonde en dessous de 60 % réduit le nombre de cycles de charge utilisables de 8 000 à moins de 2 000, que les décharges à fort courant ou la charge rapide accélèrent la perte de capacité d’environ 15 % par an, et que les courts-circuits dus à des défauts de dendrites endommagent les cellules tout en augmentant à la fois la résistance interne et le taux d’autodécharge
      Si cette technique fonctionne sur toutes les chimies de cellules, ce serait un résultat assez surprenant
    • L’usage des superchargeurs pour véhicules électriques n’était-il pas considéré comme assez néfaste au départ, avant qu’on ne conclue plus tard que l’effet sur la durée de vie de la batterie n’était pas si mauvais que ça ?
      https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
    • L’analogie donnée dans l’article me paraît aussi suspecte à plusieurs niveaux
      « Retirer davantage d’ions lithium au début, c’est un peu comme vider un peu d’eau d’un seau plein avant de le transporter. S’il y a plus d’espace vide, l’eau éclabousse moins pendant le déplacement. De la même façon, si davantage d’ions lithium sont inactivés pendant la formation de la SEI, cela laisse plus de marge dans la cathode, les électrodes cyclent plus efficacement et les performances ultérieures s’améliorent », mais l’explication ne semble pas très solide

  • Si cela se vérifie aussi à l’étape de production, ce serait une découverte vraiment géniale. Ce serait en quelque sorte une variable de procédé cachée sous nos yeux

    • Les entreprises ne le feront probablement jamais. Parce que cela réduirait leurs revenus
      On voit assez souvent passer des articles expliquant qu’une mesure simple permettrait d’allonger fortement la durée de vie des batteries, mais en dehors d’usages très spécifiques, ce n’est quasiment jamais appliqué en pratique
      En général, on préfère conserver la même durée de vie tout en augmentant la densité énergétique. Les cellules lithium-ion haute tension (tension de fin de charge supérieure à 4,2 V) en sont un exemple : si on ne les chargeait que jusqu’à 4,2 V, elles dureraient bien plus longtemps que les anciennes générations, mais les fabricants préfèrent annoncer 4,3 V, 4,35 V, voire 4,4 V, et mettre en avant la capacité supplémentaire obtenue

  • En résumé, pendant la charge de formation initiale de la batterie, une partie du lithium est inactivée et forme autour de l’anode une couche protectrice souple, la couche d’interface électrolyte solide (SEI)
    Aujourd’hui, les fabricants utilisent généralement une charge de formation lente, au cours de laquelle environ 9 % du lithium disparaît dans la SEI. On pensait qu’il fallait procéder ainsi pour obtenir une couche robuste, mais dans cette étude, avec un courant initial plus élevé, 30 % du lithium est devenu de la SEI
    Autrement dit, à quantité de lithium identique, on perd un peu de capacité de batterie, mais la couche protectrice des électrodes devient plus épaisse, ce qui améliorerait la durée de vie lors des cycles de charge ultérieurs

    • Si c’est un compromis avec la capacité, on pourrait peut-être plutôt changer légèrement de chimie, par exemple vers du LTO. Cela dit, l’article semble davantage s’intéresser à l’existence même de ce phénomène qu’à son application concrète
    • Je me demande combien de temps il faut pour former cette couche de 9 %

  • Il m’est déjà arrivé de ressusciter une batterie au lithium trop déchargée pour accepter la charge, en la reliant quelques secondes à une batterie complètement chargée

    • C’est probablement moins un problème de chimie qu’un problème de circuit électronique dans la batterie. On peut forcer l’alimentation avec à peu près n’importe quelle source en contournant le système standard de gestion de batterie (BMS)
    • C’est un peu comme démarrer une voiture qu’on croit avoir un alternateur défaillant en la branchant à une autre voiture et à son alternateur
      En clair, c’est du « on tente le coup en acceptant le risque »

  • Si une bonne couche SEI sur l’électrode est si importante, ne pourrait-on pas déposer cette couche à l’avance sur l’électrode avant d’assembler la batterie ? On pourrait alors aussi obtenir une forme de couche plus uniforme

  • Je ne vois pas bien ce que signifie exactement la durée de vie d’une batterie. Est-ce une perte de capacité, ou des défaillances aléatoires ?
    Si cette découverte ralentit la perte de capacité mais multiplie par 100 le risque de panne soudaine des batteries de véhicules électriques, ce n’est pas une amélioration en termes de coût. Pour de l’électronique grand public, ce serait peut-être acceptable

    • Il y a deux types de durée de vie : la durée de stockage et la durée de vie en nombre de cycles de charge, en chargeant jusqu’à 100 % puis en déchargeant presque jusqu’à 0 %
      Si on maintient les charges et décharges dans une plage de 80/20, la durée de vie de la batterie est surtout limitée par la durée de stockage. Par exemple, si on garde une Nissan Leaf dans une plage de charge de 20 à 80 %, elle peut probablement tenir 20 ans, mais si on la remplit à 100 % à chaque fois avec de la charge rapide DC, elle risque de ne tenir qu’environ 2 000 cycles, soit grosso modo 5 à 7 ans

  • Je suis perdu : est-ce simplement une prédiction, ou bien cela a-t-il été vérifié expérimentalement ?

  • Je me souviens avoir vu récemment un article indiquant qu’en doublant le courant mais en chargeant avec une onde carrée à 2 kHz, la dégradation de la batterie disparaissait pratiquement

  • Un peu comme l’électricité haute tension grave le bois, on dirait que cela « brûle » la microstructure pour la rendre plus stable face à la formation de filaments

  • En résumé, un courant élevé formerait simplement la couche sur l’anode un peu différemment, et bien sûr plus rapidement. Avant, on pensait qu’une charge initiale lente produisait une meilleure formation
    Cela ressemble moins à une découverte fondamentale qu’à une amélioration progressive obtenue par ajustement du procédé

    • Que ce soit un « ajustement de procédé » ou une « vraie découverte fondamentale », une augmentation de 50 % de la durée de vie des batteries serait énorme dans tous les cas
      Cela dit, d’un point de vue complotiste, je doute que beaucoup de fabricants d’électronique grand public apprécient l’idée. La baisse de capacité des batteries est un facteur majeur qui pousse au remplacement
      Aujourd’hui, au bout de 2 ou 3 ans, la baisse de capacité de la batterie d’un téléphone devient généralement visible. Le téléphone lui-même fonctionne encore très bien, on n’a pas forcément besoin des fonctions du dernier modèle, et on sait qu’on pourrait simplement remplacer la batterie, mais on finit souvent par se dire : « tant qu’à changer la batterie, autant acheter un nouveau téléphone »
      Si la durée de vie des batteries augmentait de 50 %, il deviendrait beaucoup plus difficile d’utiliser la baisse de capacité comme prétexte à une mise à niveau
    • Je pense que tu voulais dire anode, pas « électron négatif »