Le secret d'une longue durée de vie pour les batteries rechargeables réside peut-être dans une meilleure gestion des différences. De nouvelles modélisations de la dégradation des cellules lithium-ion au sein d'une batterie montrent comment adapter la charge à la capacité de chaque cellule, permettant ainsi aux batteries de véhicules électriques de supporter davantage de cycles de charge et de limiter les pannes.

L'étude, publiée le 5 novembre dansTransactions IEEE sur la technologie des systèmes de contrôleCette étude montre comment la gestion active du courant électrique alimentant chaque cellule d'une batterie, plutôt qu'une charge uniforme, permet de minimiser l'usure. Cette approche optimise ainsi la durée de vie de chaque cellule.

Selon Simona Onori, professeure à Stanford et auteure principale de l'étude, les premières simulations suggèrent que les batteries gérées par cette nouvelle technologie pourraient supporter au moins 20 % de cycles de charge-décharge supplémentaires, même avec des recharges rapides fréquentes, qui exercent une contrainte supplémentaire sur la batterie.

La plupart des efforts précédents visant à prolonger la durée de vie des batteries de voitures électriques se sont concentrés sur l'amélioration de la conception, des matériaux et de la fabrication des cellules individuelles, partant du principe que, comme les maillons d'une chaîne, la qualité d'une batterie dépend de sa cellule la plus faible. La nouvelle étude part du constat que, si les maillons faibles sont inévitables – en raison des imperfections de fabrication et de la dégradation plus rapide de certaines cellules sous l'effet de contraintes telles que la chaleur –, ils ne doivent pas pour autant compromettre l'ensemble de la batterie. La clé réside dans l'adaptation des vitesses de charge à la capacité spécifique de chaque cellule afin d'éviter les défaillances.

« Si elles ne sont pas correctement prises en compte, les hétérogénéités entre les cellules peuvent compromettre la durée de vie, la santé et la sécurité d'une batterie et provoquer un dysfonctionnement prématuré », explique Onori, professeur adjoint d'ingénierie des sciences de l'énergie à la Stanford Doerr School of Sustainability. « Notre approche égalise l'énergie de chaque cellule de la batterie, permettant à toutes d'atteindre l'état de charge final cible de manière équilibrée et améliorant ainsi la durée de vie de la batterie. »

Inspiré par la construction d'une batterie d'un million de kilomètres

L'une des motivations de ces nouvelles recherches remonte à une annonce faite en 2020 par Tesla, le constructeur de voitures électriques, concernant ses travaux sur une « batterie d'un million de kilomètres ». Il s'agirait d'une batterie capable d'alimenter une voiture sur un million de kilomètres ou plus (avec une recharge régulière) avant d'atteindre le point où, comme la batterie lithium-ion d'un vieux téléphone ou ordinateur portable, la batterie du véhicule électrique ne contient plus assez de charge pour être fonctionnelle.

Une telle batterie offrirait une durée de vie supérieure à la garantie standard de huit ans ou 160 000 kilomètres proposée par les constructeurs automobiles pour les batteries de véhicules électriques. Bien que les batteries durent généralement plus longtemps que prévu, la confiance des consommateurs dans les véhicules électriques pourrait être renforcée si les remplacements coûteux de batteries devenaient encore plus rares. Une batterie capable de conserver sa charge après des milliers de recharges faciliterait également l'électrification des poids lourds et l'adoption des systèmes « véhicule-réseau » (V2G), dans lesquels les batteries des véhicules électriques stockeraient et injecteraient de l'énergie renouvelable dans le réseau électrique.

« Il a été expliqué par la suite que le concept de batterie à un million de kilomètres ne reposait pas sur une nouvelle chimie, mais simplement sur une méthode d'utilisation permettant de ne pas exploiter toute la capacité de charge de la batterie », a déclaré Onori. Les recherches connexes se sont concentrées sur les cellules lithium-ion individuelles, qui, généralement, ne perdent pas leur capacité de charge aussi rapidement que les batteries complètes.

Intriguée, Onori et deux chercheurs de son laboratoire – le postdoctorant Vahid Azimi et l’étudiant en doctorat Anirudh Allam – ont décidé d’étudier comment une gestion inventive des types de batteries existants pourrait améliorer les performances et la durée de vie d’un pack de batteries complet, qui peut contenir des centaines ou des milliers de cellules.

Un modèle de batterie haute fidélité

Dans un premier temps, les chercheurs ont élaboré un modèle informatique haute fidélité du comportement des batteries, représentant avec exactitude les transformations physiques et chimiques qui s'y produisent au cours de leur durée de vie. Certaines de ces transformations se produisent en quelques secondes ou minutes, d'autres sur plusieurs mois, voire des années.

« À notre connaissance, aucune étude antérieure n'a utilisé le type de modèle de batterie haute fidélité et multi-échelle temporelle que nous avons créé », a déclaré Onori, directeur du Stanford Energy Control Lab.

Les simulations réalisées avec le modèle ont suggéré qu'une batterie moderne peut être optimisée et contrôlée en tenant compte des différences entre ses cellules constitutives. Onori et ses collègues envisagent que leur modèle serve de guide au développement de systèmes de gestion de batteries dans les années à venir, systèmes qui pourront être facilement intégrés aux véhicules existants.

Ce ne sont pas seulement les véhicules électriques qui pourraient en bénéficier. Pratiquement toute application qui sollicite fortement la batterie pourrait tirer profit d'une meilleure gestion grâce à ces nouveaux résultats, a déclaré Onori. Un exemple ? Les aéronefs de type drone à décollage et atterrissage vertical électriques, parfois appelés eVTOL, que certains entrepreneurs envisagent d'exploiter comme taxis aériens et de proposer d'autres services de mobilité aérienne urbaine au cours de la prochaine décennie. D'autres applications des batteries lithium-ion rechargeables sont également prometteuses, notamment l'aviation générale et le stockage à grande échelle d'énergie renouvelable.

« Les batteries lithium-ion ont déjà transformé le monde à bien des égards », a déclaré Onori. « Il est essentiel que nous tirions le meilleur parti possible de cette technologie révolutionnaire et de ses successeurs à venir. »