Optimiser et prolonger la vie des batteries lithium-ion

Eduardo Redondo-Iglesias et  Marwan Hassini, laboratoire LICIT-ECO7, Université Gustave Eiffel

À travers des tests de caractérisation et des essais de vieillissement, deux chercheurs du laboratoire LICIT-ECO7 dressent des « profils » de batteries lithium-ion et évaluent leurs performances. Leurs données, ouvertes à tous, visent à favoriser une utilisation la plus longue possible des batteries.

Elles sont l’une des clés pour réduire les émissions de gaz à effet de serre liées au transport : les batteries lithium-ion. Sources d’énergie des voitures électriques et hybrides rechargeables, ces batteries ont néanmoins un impact majeur sur l’environnement. En effet, l’extraction et le raffinage des minerais nécessaires à leur production sont très consommateurs d’eau et d’énergie¹, génèrent des gaz à effet de serre ainsi que d’importantes pollutions de l’air, de l’eau et des sols².

« Nous ne pourrons jamais réduire l’impact environnemental de la production des batteries mais nous pouvons faire en sorte de réduire cette dette, notamment en favorisant une utilisation la plus longue possible des batteries » soutient Marwan Hassini, doctorant en génie électrique au sein de l’UMR LICIT-ECO7 (Université Gustave Eiffel / ENTPE) et du laboratoire AMPERE (UMR Université Lyon 1, École Centrale de Lyon, INSA Lyon). Comment ? En encourageant les usages durables (recharger lentement, éviter les sollicitations extrêmes) ainsi que le réemploi des batteries. « Après une première vie dans une voiture électrique, il est possible d’utiliser à nouveau la batterie pour alimenter des stations de recharge mobiles, des réseaux de stockage d’énergies renouvelables ou des alimentations de secours. »

Afin de favoriser leur réemploi, il est nécessaire de mieux connaître les caractéristiques des très nombreuses batteries existantes sur le marché et d’analyser l’évolution de leurs performances dans le temps et selon les usages. C’est sur ces questions que portent les travaux de Marwan Hassini et de son encadrant de thèse, Eduardo Redondo-Iglesias, ingénieur de recherche en génie électrique au LICIT-ECO7. À partir de l’étude de batteries des fabricants Samsung et A123 Systems, les chercheurs ont produit des jeux de données de caractérisation des batteries en 1^re vie et en 2^nde vie. « Les tests de caractérisation permettent de déterminer si une seconde vie est possible et, si oui, pour quels usages » explique Marwan Hassini. « Une caractérisation comprend des mesures d’ampère-heure, d’impédance ou de tension à circuit ouvert, détaille Eduardo Redondo-Iglesias. Elle permet de cartographier les caractéristiques – intensité, résistance, puissance… - et les comportements d’une batterie ainsi que leur variabilité selon l’environnement ou les usages. Ces données peuvent également servir à créer des batteries virtuelles : des modèles numériques utilisés pour faire des études d’optimisation de la consommation d’énergie dans un véhicule par exemple. »

Les caractérisations constituent un préalable aux essais de vieillissement des batteries. Ceux-ci livrent de précieuses données pour identifier les facteurs d’utilisation les plus dégradants pour les batteries et pour développer des modèles de vieillissement selon les conditions d’utilisation : vitesses de charge, températures, plages d’utilisation, … Ces données intéressent les acteurs économiques mais sont longues et coûteuses à obtenir. « Un essai de vieillissement prend entre 2 et 6 mois et demande de nombreuses ressources, précise Eduardo Redondo-Iglesias. C’est pour cela que nous collaborons avec d’autres laboratoires pour mutualiser les tests au sein de projets comme SIMSTOCK, SIMCAL, MOBICUS et plus récemment le consortium COMUTES2. » Engagés dans une démarche de science ouverte, les chercheurs ont également développé des logiciels libres destinés à faciliter l’exploitation de leurs données : DATTES et VEHLIB.

Batterie lithium-ion : La batterie lithium-ion est un accumulateur électrochimique d’énergie qui utilise le principe d’échange réversible des ions lithium entre deux électrodes, pour stocker et produire de l’électricité.

Du fait de leurs performances, notamment en densité d'énergie et de puissance, les batteries lithium-ion sont utilisées dans les voitures électriques.

Impédance : L'impédance électrique est une grandeur complexe (partie réelle, partie imaginaire) qui décrit l'opposition au flux de courant dans un circuit électrique.

¹ Il faudrait plus de 400 kWh pour produire 1 kWh de batterie lithium-ion. Source : Larcher, D. ; Tarascon, J.M. Towards greener and more sustainable batteries for electrical energy storage. Nat. Chem. 2015, 7, 19–29. doi : 10.1038/nchem.2085.

² Sources : Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectives – European Environment Agency Report No 13/2018 ; Rapport d'étude Controverses minières · Volet 1 - Caractère prédateur et dangereux · Techniques minières · Déversements volontaires en milieux aquatiques · Anciens sites miniers - Association SystExt

L'interview a été réalisée par l'agence Kogito.