La batterie lithium (NMC, NCA, LFP, Souffre..)

En bref

Toutes les batteries des véhicules électrifiés ne se valent évidemment pas. Les constructeurs peuvent privilégier certaines technologies ou certaines chimies afin de favoriser la densité énergétique (l'autonomie) ou le nombre cycle de charge (la durée de vie).

Le lithium étant un bon compromis aux besoins des véhicules électrifiés, il est présent dans 95 % des batteries actuelles !

On distingue plusieurs chimies au sein des batteries lithium-ion (NMC, NCA, LFP, Souffre..). 

Analysons les avantages et les inconvénients des différentes chimies !

Le format des cellules

Les batteries au lithium-ion sont principalement fabriquées selon 3 formats de cellules distincts :

• Cylindrique (ressemble à une pile).
• Prismatique (Bloc rectangulaire plat.)
• Pochette ou Pouch cell (Feuille ou sachet plat et mince).

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Le choix du format dépend de l'application définit par le fabriquant qui devra faire un compromis entre  :

• La densité énergétique (Wh/kg),
• La densité volumique (Wh/L),
• La gestion thermique et sécuritaire
• Le coût.

Les chimies les plus utilisées actuellement

• Lithium/Nickel, Manganèse et Cobalt (NMC).
• Lithium/Nickel, Cobalt, et aluminium (NCA).
• Lithium Nickel Cobalt Manganèse Aluminium (NCMA).
• Lithium/Fer, Phosphate (LFP / LiFePO4).
• Lithium/Polymère(Li-Po)…

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Batterie Lithium Nickel Manganèse et Cobalt (NMC)

Les batteries NMC  sont largement utilisées dans les véhicules électrifiés en raison de leur haute densité énergétique. Elles permettent de stocker plus d’énergie dans un espace plus réduit, offrant ainsi une meilleure autonomie.

Actuellement quasiment tous les constructeurs automobiles utilisent cette technologie( Renault Zoé, BMW i3, Peugeot e-208....).

COMPOSITION :

• Cathode : Un mélange de Nickel, Manganèse et Cobalt, souvent sous forme d'oxyde.
• Anode : En général du graphite (comme pour les autres batteries Lithium-Ion).
• Electrolyte : Un liquide qui permet le déplacement des Ions Lithium entre la cathode et l'anode pendant les cycles de décharge et de charge.

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AVANTAGES  :

• Haute densité énergétique : Les batteries NMC sont capables de stocker une grande quantité d’énergie pour un poids ou un volume donné, ce qui les rend idéales pour des applications nécessitant des autonomies élevées.
• Bon équilibre entre puissance et capacité : Elles offrent un bon compromis entre la puissance (capacité à fournir de l’énergie rapidement) et la capacité (quantité totale d’énergie stockée).

INCONVENIENTS :

• Leurs performances sont en effet largement supérieures en termes de densité énergétique et de densité de puissance, bien que cela se fasse au détriment de la stabilité thermique avec la nécessité d’installer des systèmes de refroidissement de plus en plus complexes et coûteux comme l’immersion.
• Les cellules NMC ont également un coût plus important à cause de la dépendance à des matériaux comme le cobalt.

Batterie Lithium Nickel Cobalt Manganèse Aluminium (NCMA)

La batterie NCMA est une évolution directe des batteries NMC. La chimie NCMA introduit de l'aluminium dans la composition de la cathode afin d'améliorer certains aspects clés. 

COMPOSITION :

• Cathode : Un mélange de Nickel, Manganèse, Cobalt et Aluminium.
• Anode : En général du graphite (comme pour les autres batteries Lithium-Ion).
• Electrolyte : Un liquide qui permet le déplacement des Ions Lithium entre la cathode et l'anode pendant les cycles de décharge et de charge.

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AVANTAGES  :

• L'aluminium joue un rôle de stabilisateur thermique. Son introduction permet de réduire légèrement la quantité de cobalt et donc d'accroître la résistance aux températures élevées (moins de risque de surchauffe et d'incendie).
• Amélioration de la longévité des cellules grâce à cette meilleur métrise thermique.

INCONVENIENTS :

Cette chimie reste toutefois contraignante en matière de refroidissement et induit un coût relativement élevé.

Batterie Lithium oxyde d'Aluminium Nickel Cobalt (NCA)

La batterie NCA sont généralement présentent dans les véhicules haut de gamme pour sa densité énergétique très élevée. Mais en contre partie, sont indice de sécurité est légèrement inférieur à celui des NMC.

COMPOSITION :

• Cathode : Un mélange de Nickel, Manganèse, Cobalt et Aluminium.
• Anode : En général du graphite (comme pour les autres batteries Lithium-Ion).
• Electrolyte : Un liquide qui permet le déplacement des Ions Lithium entre la cathode et l'anode pendant les cycles de décharge et de charge.

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AVANTAGES  :

• Excellente densité énergétique

INCONVENIENTS :

• Coût élevé (car utilisation de plus de cobalt)
• Risques de surchauffe

Batterie Lithium Fer Phosphate (LFP)

Que ce soit pour des raisons éthiques ou bien financières, limiter l’utilisation du cobalt est une stratégie régulièrement adoptée par les géants du secteur des batteries électriques. 

La chimie la plus populaire de ces dernières années faisant abstraction totale du cobalt est la batterie lithium fer phosphate (LFP, ou encore LiFePO4), dont la cathode active est bien différente des batteries NMC et NCA.

COMPOSITION :

• Cathode : Phosphate de fer lithié.
• Anode : En général du graphite (comme pour les autres batteries Lithium-Ion).
• Electrolyte : Un composé liquide qui permet le transfert des ions lithium entre la cathode et l'anode.

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AVANTAGES  :

• Sécurité accrue : Comparées aux autres batteries Lithium-ion (comme le NMC), les batteries LFP sont moins susceptibles de surchauffer ou de provoquer des incendies.
• Longue durée de vie : Elles ont une durée de vie plus longue, avec un plus grand nombre de cycles de charge-décharge (autour de 4000 cycles).
• Stabilité thermique : les batteries LFP sont plus stables thermiquement, ce qui les rend adaptées à des environnements à haute température ou à une conception plus simplifiée sans refroidissement liquide par exemple.
• Écologique : L’absence de métaux rares comme le cobalt ou le nickel les rend plus respectueuses de l’environnement.
• Economique : Les batteries LFP sont ainsi moins sujets à la volatilité des prix et aux risques d’approvisionnement des métaux (comme le cobalt et le nickel). 

INCONVENIENTS :

• La densité énergétique est moins importante que celle des batteries utilisant du cobalt,  la tenue dans le froid des batteries LFP est bien inférieure. Donc une autonomie plus faible

Batteries au lithium Polymère (Li-Po)

Les cellules LiPo (lithium-polymère) sont une alternative aux accumulateurs lithium-ion. Elles sont principalement produites dans un format unique (cellule Pouch) qui les distingue des autres technologies Lithium-ion (comme les cellules cylindriques ou prismatiques).

COMPOSITION :

• Cathode : Phosphate de fer lithié.
• Anode : En général du graphite (comme pour les autres batteries Lithium-Ion).
• Electrolyte : Un composé d'un gel polymère qui permet de figer l'électrolyte ce qui permet de réduire le contenant à une simple enveloppe plastique souple. .

AVANTAGES  :

• Le fait d'utiliser un électrolyte solide (gélifié), permet de produire des accumulateurs avec des formes très diverses.
• Ils sont également plus sûres que les batteries lithium-ion classiques. 

INCONVENIENTS :

• Ils sont moins performants.
• Plus chers à produire.

Les batteries solides et semi-solides

Les batteries solides sont une avancée technologique de taille dans le monde des batteries lithium-ion.

Grace à la suppression des éléments "liquides", de nombreux dispositifs présents dans le système de gestion des batteries lithium-ion liquides pour prévenir les risques d’incendie deviennent inutiles. Ce qui libère une place conséquente au sein d’un pack de batteries.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :

Contrairement aux batteries lithium-ion plus conventionnelles, il n’y a pas de solution électrolytique, mais un composé inorganique solide pour le remplacer. Les ions ne se déplacent plus de l’anode à la cathode en réchauffant un liquide, ce qui limite drastiquement la probabilité d’incendie.

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AVANTAGES :

• Une densité énergétique plus importante
• Une sécurité accrue
• Une durée de vie importante  (nombre de cycle de charge supérieur à 2000)

INCONVENIENTS :

• Cout de production

PARTICULARITE DE LA BATTERIE SEMI SOLIDE :

Les batteries semi-solides, utilisent une combinaison d'électrolytes partiellement solides et d'électrolytes partiellement liquides.

Par rapport à électrolyte liquide, la sécurité est améliorée car les électrolytes partiellement solides peuvent réduire le risque de fuite des électrolytes liquides. Cependant, comme elle contient toujours des composants liquides, sa sécurité n'est pas aussi bonne que celle des batteries entièrement solides

Batterie Lithium-Souffre (Li-S)

Parmi les technologies prometteuses qui émergent, on trouve les batteries au lithium-soufre (Li-S), qui sont sur le point de révolutionner le stockage d'énergie.  

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AVANTAGES : 

• Une densité énergétique élevée, atteignant jusqu'à 500 Wh/kg, soit environ cinq fois celui des batteries lithium-ion traditionnelles.
• Un poids relativement faible,
• Des coûts de production réduits (grâce aux différentes matières premières utilisées > Remplacement du cobalt par du soufre).

INCONVENIENTS :

• Une durée de vie limitée  (nombre de cycle de charge inférieur à 1000)
• Stabilité thermique 

Batterie Lithium-air (ou lithium-oxygène (Li-O2)

L'arrivé d'une autre technologie, le lithium-air pourrait donner un nouveau souffle aux véhicules électriques et hybrides. BMW et Toyota travaillent sur ce projet depuis 2013. 

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :

L’électrode négative (anode) d’une cellule est composée de lithium métallique (Li) alors que l’électrode positive (cathode) est constituée d’un substrat poreux qui pourra stocker un composé de lithium et d’oxygène provenant de l’air ambiant. 

Cependant, un problème qui n’a pas encore été entièrement résolu est la durée de vie des batteries lithium-air. Des essais antérieurs ont montré que la performance d’une batterie lithium-air diminue considérablement après seulement quelques cycles de charge.

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AVANTAGES : 

• Densité énergétique élevée (1700 à 2400 Wh/kg).
• Volume  réduit : 5000 Wh/litre.
• Cout des matériaux

Avec un poids similaire, une batterie lithium-air offrirait ainsi 20 fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion classique. 

Cependant, un problème qui n’a pas encore été entièrement résolu est la durée de vie des batteries lithium-air. Des essais antérieurs ont montré que la performance d’une batterie lithium-air diminue considérablement après seulement quelques cycles de charge.

Jusqu’à présent, seules des batteries avec une capacité de 2 kWh/kg ont été réalisées, mais la capacité continue d’augmenter grâce à divers projets de recherche.