- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Non
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Non
- Phase de développement de l'innovation
- Commercialisé depuis plusieurs années
- Date de création
- Date de mise à jour
En bref
Les batteries sont des systèmes complexes conçus pour stocker et délivrer de grandes quantités d'énergie électrique, et leur chimie est un domaine en constante évolution.
Ces batteries présentent chacun des avantages spécifiques (autonomie, sécurité, avantages écologiques, coût, etc..).
Avant de s’intéresser aux différentes technologies de batteries, il est nécessaire d’en comprendre la composition, les variantes structurelles et les différents matériaux utilisés.
Découvrons une vue d'ensemble sur les différents types de batteries à ce jour ainsi que leur avenir !
- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Non
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Non
- Phase de développement de l'innovation
- Commercialisé depuis plusieurs années
- Date de création
- Date de mise à jour
Description détaillée
Toutes les batteries de voitures électriques sont loin d'être identiques.
Leurs différences résident notamment dans leur composition chimique, qui varie d'un fabricant à l'autre, ce qui influence directement leurs densités énergétiques et l'autonomie du véhicule.
Ces variations technologiques sont cruciales, car la batterie est le cœur de la voiture électrique, permettant à la fois la propulsion et la recharge.
Par exemple, une Renault Zoé et une Tesla Model S n'utilisent pas les mêmes types de batteries.
Ce dossier explore en détail les diverses chimies et technologies de batteries actuellement utilisées et celles qui émergeront à l'avenir.
Principe de fonctionnement d'une batterie de traction
Schématiquement, une batterie est un réservoir d’énergie, un accumulateur composée de plusieurs cellules, chacune contenant des électrodes (anode et cathode) et un électrolyte, elle s’organise en modules pour former le pack de batterie.
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Cet empilement de cellules transforme l’énergie chimique en énergie électrique pendant la décharge et l’énergie électrique en énergie chimique lors des charges
Dans une batterie, le courant électrique entre et sort par les anodes et les cathodes qui changent de rôle selon si la batterie se charge ou se décharge.
Les électrons circulent dans un liquide conducteur appelé électrolyte où se forme la réaction électrochimique.
1) Structure des Batteries de Traction
Une batterie de traction est un assemblage hiérarchique de composants, voici quelques éléments :
- Cellules.
- Modules.
- Pack Batteries.
- BMS (Battery Management System).
- Système de refroidissement.
- Relais de sécurité, fusibles...
Les Cellules
Les cellules de la batterie, sont comme des piles, elles ont des compositions chimiques qui permettent de stocker beaucoup d'énergie, et permettent un nombre de cycles élevé.
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Chaque cellule est composée d’une anode (pôle positif), d'une cathode (pôle négatif) et d'un électrolyte, qui permet le transfert des ions entre les deux électrodes. plusieurs cellules électrochimiques connectées en série.
Les matériaux utilisés pour les électrodes et l'électrolyte peuvent varier en fonction du type de batterie utilisé.
Composition d'une cellule :
- Anode (-) : L'électrode négative où se produit l'oxydation (libération d'électrons) lors de la décharge et la réduction (capture d'électrons) lors de la charge. Généralement en graphite pour les batteries Li-ion.
- Cathode (+) : L'électrode positive où se produit la réduction (capture d'électrons) lors de la décharge et l'oxydation (libération d'électrons) lors de la charge. Sa composition dépend de la chimie de la batterie.
- Électrolyte : Le milieu conducteur (liquide, gel ou solide) à travers lequel les ions (ex: ions lithium) se déplacent entre l'anode et la cathode. Il assure le transport de charge à l'intérieur de la cellule.
- Séparateur : Une membrane poreuse qui empêche le contact direct entre l'anode et la cathode (ce qui provoquerait un court-circuit) tout en permettant le passage des ions à travers l'électrolyte.
-
Collecteurs de courant : Feuilles métalliques (cuivre pour l'anode, aluminium pour la cathode) qui recueillent les électrons et les acheminent vers les bornes externes de la cellule.
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Equilibrage
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Ces cellules doivent impérativement être chargées et déchargées de manière homogène.
Si ce n’est pas le cas, les écarts de charge peuvent entraîner une détérioration prématurée des batteries et même provoquer un risque d’embrasement.
Formats des cellules
Les cellules les plus répandues sont au nombre de trois :
- Les cellules cylindriques.
- Les cellules "Pouch" (en forme de poche).
-
Les cellules prismatiques.
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Chaque format de cellule a ses avantages et inconvénients, par exemple : Une batterie Tesla réputée pour la densité en énergie élevée des cellules, n'optimise pas l'espace qu'elle occupe (cellules cylindriques).
Les modules
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Un module est un ensemble de plusieurs cellules connectées en série et/ou en parallèle pour atteindre une tension et une capacité spécifique. Les cellules sont regroupées en modules pour faciliter la gestion thermique, l'assemblage et la maintenance.
Le Pack Batterie (Batterie Complète)
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C'est l'ensemble final composé de plusieurs modules interconnectés, logés dans un boîtier robuste. Ce "pack" constitue la batterie de traction complète du véhicule.
La puissance d’une batterie de traction
En électricité, les unités de mesure sont le watt, le volt et l’ampère.
Le watt correspond à la puissance électrique. Il s’obtient en multipliant les volts par les ampères.
Le volt donne la tension électrique tandis que l’ampère donne l’intensité.
La capacité de stockage d’une batterie de traction, véritable réservoir d’énergie de la voiture, est exprimée en kWh.
Elle varie selon le modèle de voitures de 20 à plus de 100 kWh.
Battery Management System (BMS) :
Le "cerveau" de la batterie. C'est un système électronique crucial qui surveille et gère l'ensemble du pack pour assurer sa sécurité, ses performances et sa durée de vie. Ses fonctions incluent :
Surveillance de la tension de chaque cellule/module.
- Surveillance de la température (prévention de la surchauffe ou du gel).
- Équilibrage des cellules (égalisation des tensions pour optimiser l'utilisation de toutes les cellules).
- Gestion du courant de charge et de décharge.
- Calcul de l'état de charge (SOC - State of Charge) et de l'état de santé (SOH - State of Health).
- Activation des relais de sécurité (contacteurs) pour connecter ou déconnecter la batterie du système du véhicule en cas de besoin (surcharge, court-circuit, température extrême, etc.).
- Communication avec l'unité de commande du véhicule.
Câblage et bus bars: Connectent les modules entre eux et le pack au véhicule.
Boîtier de protection :
Un châssis robuste (souvent en métal) qui protège l'ensemble des modules, du BMS et des autres composants contre les chocs, les vibrations, l'humidité et les températures extrêmes.
2) Les matériaux utilisés
Les batteries utilisées pour les véhicules électriques sont fabriquées par de grandes industries (Ex :CATL, PANASONIC, LG CHEM, SAFT...).
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Le processus de fabrication intègre plusieurs types de métaux :
- Nickel.
- Cobalt.
- Manganèse.
- Lithium.
- Cuivre.
- Graphite.
- Aluminium...
Les matériaux actifs utilisés dans la cathode et l'anode, ainsi qu'à la composition de l'électrolyte font référence aux différentes chimies d'une batterie.
Selon le choix et la répartition des métaux composant les électrodes, on obtient des batteries ayant des caractéristiques différentes.
Dans les batteries de traction des véhicules électriques, le nickel, le manganèse, le cobalt et le fer sont des éléments clés de la cathode (électrode positive), chacun apportant des propriétés spécifiques à la performance globale de la batterie.
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Le graphite, qu'il soit naturel ou synthétique, est le matériau d'anode dominant dans la grande majorité des batteries lithium-ion commerciales aujourd'hui.
Le rôle des différents éléments utilisés
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3) Batteries de traction actuelles
Le marché des batteries de traction pour véhicules électriques est en pleine effervescence, avec des avancées technologiques rapides.
Voici un panorama des technologies actuelles et des pistes prometteuses pour l'avenir :
La technologie à base de nickel dans les batteries Ni-MH est utilisés essentiellement dans les véhicules hybrides non rechargeables.
Une technologie éprouvée conçue pour répondre aux exigences des véhicules hybrides.
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Les batteries Ni-MH utilisent un alliage de nickel-métal associé à des électrodes en hydrure métallique pour stocker et restituer l'énergie
En savoir plus
Consultez la fiche innovauto sur la batterie Nickel métal hydrure (Ni-MH)
Actuellement, les batteries lithium-ion dominent le marché des véhicules électriques en raison de leur haute densité énergétique et de leur longue durée de vie.
On distingue plusieurs chimies au sein des lithium-ion :
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En savoir plus
Consultez la fiche innovauto les batteries lithium (NMC, NCA, LFP, souffre)
4) Batterie de traction du futur
Au-delà de la configuration liquide traditionnelle des cellules (électrolyte liquide), de nouvelles architectures sont en développement pour améliorer la sécurité, la densité énergétique et les performances.
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Le développement des batteries s'accélère, ce qui devraient transformer le paysage des véhicules électriques dans les prochaines années.
Batteries à l'état semi-solide
Contrairement aux batteries lithium-ion qui utilisent un électrolyte liquide.
Elles utilisent un électrolyte qui n'est ni entièrement liquide ni entièrement solide.
Elles offrent une amélioration de la sécurité par rapport aux batteries liquides et une meilleure densité énergétique, tout en étant plus faciles à fabriquer que les batteries tout-solide.
Elles peuvent améliorer la rétention de capacité sur le long terme.
Batteries à l'état solide (Solid-State Batteries - SSB)
Elles remplacent l'électrolyte liquide par un matériau solide (polymère, oxyde, sulfure).
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-
Avantages : Potentiel de densité énergétique beaucoup plus élevé, sécurité accrue (pas de risque de fuite d'électrolyte inflammable), durée de vie plus longue, meilleures performances à haute et basse température.
- Défis : Complexité de fabrication, coûts élevés, conductivité ionique encore insuffisante à température ambiante pour certaines applications.
Batteries Sodium-ion (Na-ion)
Les batteries au sodium sont une alternative intéressante aux batteries lithium-ion. Comme leur nom l’indique, elles utilisent du sodium, un élément chimique abondant et bon marché, comme matériau actif.
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Les batteries au sodium réduisent les coûts de production des batteries et améliorent la durabilité de la technologie.
Cependant, la recherche de matériaux appropriés pour les électrodes et les électrolytes essentiels au fonctionnement stable et efficace de la batterie reste un problème non résolu pour le moment.
En savoir plus
Consultez la fiche innovauto sur la Sodium Ion (Na+)
Batteries Lithium-Soufre (Li-S)
Les batteries de demain embarqueront un électrolyte solide et une association de lithium métal et de soufre, une configuration très prometteuse en termes de rendement et d’efficacité.
Ces batteries Li-S présentent une densité énergétique plus élevée, un poids plus léger et des coûts de production réduits par rapport aux batteries Li-ion, ce qui les rend attrayantes pour les véhicules électriques.
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Autres technologies émergentes
Batteries lithium-titanate
Elles offrent une durée de vie plus longue, une meilleure sécurité et des charges rapides. Cependant, la densité énergétique est inférieure à celle des batteries lithium-ion.
Batteries à air
Les batteries à air fonctionnent en utilisant l'oxygène de l'air comme source d’énergie pour générer de l'électricité. Contrairement aux technologies plus traditionnelles, elles n'ont pas besoin de transporter des matériaux actifs dans la batterie, et sont donc plus légères.
Les batteries à air offrent plusieurs avantages : elles peuvent stocker beaucoup d'énergie et ont une meilleure autonomie. Elles peuvent aussi être rechargées en remplaçant simplement l’air épuisé par de l'air frais.
Intégration du graphène
C’est un matériau résistant, léger, mais flexible. Il est composé de carbone et promet des batteries abordables avec des autonomies impressionnantes et des temps de charge réduits à quelques minutes.
Les avantages et inconvénients
Le marché des batteries de traction pour véhicules électriques est dominé par les batteries à base de lithium mais au sein de cette catégorie, différentes chimies se distinguent, principalement par les matériaux utilisés dans leur cathode.
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En conclusion:
Si l'on parle d'impact immédiat et de démocratisation du véhicule électrique, les LFP sont actuellement la technologie la plus "intéressante" grâce à leur rapport qualité/prix/sécurité.
Si l'on regarde vers le futur et les ruptures technologiques, les batteries à état solide sont la technologie la plus "intéressante" pour les performances (autonomie, recharge, sécurité), mais elles restent à un stade de développement plus précoce pour une commercialisation massive.
Les batteries sodium-ion sont également très intéressantes pour leur potentiel de réduction des coûts et leur durabilité, ouvrant la voie à des véhicules électriques encore plus abordables.
Transport des batteries
Le transport de batterie de traction est régi par l'’ADR (Accord européen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route).
Cette réglementation impose au transporteur d'être en possession de la FDS (Fiche de sécurité) de la batterie transportée, elle doit comporter entre autre :
- le numéro ONU (identification de la matière transportée)
- les substances contenues dans la batterie et leurs pourcentages
- les gestes à adopter en cas de projection, inhalation etc.
- les moyens d'extinction en cas d'incendie
- les mesures à prendre en cas de dispersion accidentelle
- les précautions de stockage etc
| Diffusion sur le marché | Les véhicules électrifiés seront de plus en plus présents, ce qui augmentera les interventions sur les batteries de traction. |
|---|---|
| Constructeurs concernés | Tous les constructeurs proposent dans leur catalogue des véhicules électrifiés équipés de batterie de traction. |
| Innovation engendrant des entretiens | Non |
| Innovation engendrant des réparations | Oui |
| Dispositif législatif en rapport avec l'innovation | Pour réaliser des travaux sous tension sur les véhicules ayant une énergie embarquée, ayant une tension > 60 Volts DC ou une capacité >275 Ah, il faut être habilité B2TL, les différentes préconisations sont définis dans les normes : |
| Contrôle technique |
|
| Mots-clés | Lithium-ion, Nimh, NCA, NMC, batterie solide, batterie au sodium, pack batterie, batterie de traction, batterie traction véhicules électriques ou hybrides. |
Méthodes et pratiques
Dans le cas où une batterie de traction n'est pas conforme, il est essentiel de suivre les recommandations du fabricant pour vérifier s'il autorise l'ouverture de celle-ci pour la remettre en conformité
Diagnostic et démontage de la batterie de traction
- Contrôler et relever l'état du calculateur de batterie (Code défaut, tension des modules..).
- Mettre hors tension le véhicule (consignation) et contrôler l'absence de tension de la batterie de traction avant sa dépose
LA RÉPARATION DES BATTERIES ET LE RECYCLAGE
Dans le passé, les batteries en panne étaient réparées par quelques techniciens habilités au niveau national : il y en avait peu. Aujourd'hui, beaucoup de constructeurs font le choix de former et d'équiper leurs réseaux pour des opérations TST (Travaux Sous Tension), afin de garantir une réparation rapide et locale de la batterie.
En savoir plus
Consultez la fiche innovauto au sujet de l'intervention sur les batteries de traction.
| Entreprises concernées aujourd'hui | Véhicules industriels, Spécialistes, RA2, RA1 |
|---|---|
| Métiers concernés | Démonteur automobile, Mécanicien technicien VI-VU, Mécanicien-Technicien Auto, Mécanicien-Technicien Moto |
Impact sur les compétences en atelier
La structure interne des batteries de traction est différente selon les marques et les modèles.
Chaque intervention est donc différente (process, outils, pièces …).
Ces particularités nécessitent une adaptation continue des compétences et des pratiques des professionnels de l'après-vente pour répondre aux exigences de sécurité et constructeurs.
Les compétences nécessaires à la maintenance d'une batterie de traction
- Disposer de connaissances en électrochimie.
- Etre capable de diagnostiquer une batterie de traction.
- Mettre en place les mesures de sécurité électrique lors d'interventions.
- Avoir acquis des compétences en réparation et remplacement des différents éléments.
- Etre en mesure d'utiliser les différents appareils pour l'équilibrage des modules, le contrôle d'étanchéité, etc.
Exemple d’outillage approprié
Lorsqu'on travaille sur ou à proximité d'éléments sous tension, l'utilisation d'outils isolés réduira considérablement le risque de blessure pour les intervenants, ainsi que les dommages à l'équipement.
La réparation d'une batterie de traction, nécessite l'utilisation de certains matériels spécifiques :
- Contrôleur d'isolement, multimètre catégorie III.
- Contrôleur d'étanchéité (testeur de fuite).
- Appareil pour l'équilibrage des modules neufs.
- Table de levage (batterie de véhicules électriques).
- D'une chèvre (batterie de véhicules hybrides)...
Pour éviter tout risque inhérent aux activités lors d'intervention sur les batteries de traction, il est impératif d'utiliser les équipements de protection individuel en état, répondant aux normes et adaptés à la morphologie du travailleur, afin d'être correctement protéger
Il faut s'assurer que les outils et les EPI soient en bon état et conformes aux normes de sécurité en vigueur.
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