Texte de : Claude Gauthier
Dans un article publié le 26 mars dans le journal La Presse, le journaliste Alain Mckenna publie un article, très court, sur une étude l’Université de Californie à Riverside. Selon son article, « Les bornes de recharge rapide détruisent la batterie des autos électriques. C’est ce que conclut une étude menée récemment par des chercheurs universitaires qui recommandent aux constructeurs de tenir davantage compte de la résistance des matériaux afin d’offrir une recharge plus rapide, mais moins dommageable. »
La plupart des gens savent que l’efficacité d’une batterie devient moins performante au fur et à mesure qu’elle est rechargée. Nous avons aussi appris que la recharge rapide est plus dommageable qu’une recharge plus lente, sur le 240 volts par exemple. Je me suis donc intéressé à l’étude en question et voici ce que j’ai trouvé. Comme toujours, il est conseillé de lire un texte au complet avant d’en tirer des conclusions. Il semble que M. Mckenna n’ai pas pris le temps de le faire.
Premièrement, en tapant « University California Riverside battery » dans le moteur de recherche google, j’ai trouvé un autre article écrit dans le journal de l’université par Holly Ober. Le titre est beaucoup moins sensationnaliste : « Fast-charging damages electric car batteries » qu’on pourrait traduire par « La recharge rapide endommage les batteries des véhicules électriques. Nous sommes donc passés de « détruit » à « endommage ». Elle note que les stations de recharge rapide commerciales soumettent les batteries des voitures électriques à des températures élevées et à une résistance élevée qui peuvent les faire craquer, fuir et perdre leur capacité de stockage, écrivent des ingénieurs de l'Université de Californie à Riverside dans une nouvelle étude publiée dans Energy Storage . Pour y remédier, les chercheurs ont développé une méthode de charge à des températures plus basses avec moins de risques de dommages catastrophiques et de perte de capacité de stockage. J’ai donc suivi le lien pour aller consulter directement la publication faite par l’équipe de recherche du Dr Mihri Ozkan, professeur de génie électrique et informatique et Cengiz Ozkan, professeur de génie mécanique au Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering. Ils ont dirigé un groupe qui a chargé un ensemble de batteries lithium-ion cylindriques Panasonic NCR 18650B déchargées, trouvées dans les voitures Tesla, en utilisant la même méthode de charge rapide de l'industrie. Ils ont également chargé un ensemble en utilisant un nouvel algorithme de charge rapide basé sur la résistance interne de la batterie, ce qui interfère avec le flux d'électrons. Selon eux, la résistance interne d'une batterie varie en fonction de la température, de l'état de charge, de l'âge de la batterie et d'autres facteurs. Une résistance interne élevée peut provoquer des problèmes pendant la charge.
Pour les 13 premiers cycles de charge, les capacités de stockage des batteries pour les deux techniques de charge sont restées similaires. Après cela, cependant, la technique de charge rapide de l'industrie a fait abaisser la capacité beaucoup plus rapidement: après 40 cycles de charge, les batteries n'ont conservé que 60% de leur capacité de stockage. Les batteries chargées à l'aide de la méthode de charge par résistance interne ont conservé plus de 80% de leur capacité après le 40e cycle.
Avec une capacité de 80%, les batteries lithium-ion rechargeables ont atteint la fin de leur durée de vie dans la plupart des cas (NDLR, l’industrie s’entend plutôt sur 70%). Les batteries chargées en utilisant la méthode de charge rapide de l'industrie ont atteint ce point après 25 cycles de charge, tandis que les batteries de la méthode de résistance interne étaient bonnes pendant 36 cycles. "La charge rapide industrielle affecte négativement la durée de vie des batteries lithium-ion en raison de l'augmentation de la résistance interne des batteries, qui à son tour entraîne la génération de chaleur", a déclaré le doctorant et co-auteur Tanner Zerrin. Pire encore, après 60 cycles de charge, les boîtiers de batterie rechargés avec la méthode industrielle se sont fissurés, exposant les électrodes et l'électrolyte à l'air et augmentant le risque d'incendie ou d'explosion. Des températures élevées de 60 degrés Celsius / 140 degrés Fahrenheit ont accéléré les dommages et les risques. "La perte de capacité, les dommages chimiques et mécaniques internes et la chaleur élevée de chaque batterie sont des problèmes de sécurité majeurs, surtout si l'on considère qu'il y a 7104 batteries lithium-ion dans une Tesla Model S et 4 416 dans une Tesla Model 3", a déclaré Mihri Ozkan. La charge par résistance interne a entraîné des températures beaucoup plus basses et aucun dommage. "Notre algorithme alternatif de charge rapide adaptative a réduit la décoloration de la capacité et éliminé les fractures et les changements de composition dans les cellules de batterie commerciales", a déclaré Cengiz Ozkan. «La charge rapide adaptative proposée offre une nouvelle perspective pour la conception d'une technologie de charge rapide pour les véhicules électriques avec de meilleures performances de sécurité et une plus longue durée de vie de la batterie», a déclaré Bo Dong, un doctorant et co-auteur de l'article. Les chercheurs ont déposé un brevet sur l'algorithme de charge rapide à résistance interne adaptative qui pourrait être autorisé par les constructeurs de batteries et de voitures. Dans l'intervalle, l'équipe de la batterie UCR recommande de minimiser l'utilisation de chargeurs rapides commerciaux, de recharger avant que la batterie ne soit complètement déchargée et d'éviter une surcharge. Donc, avant de me consterner devant les suggestions de l’équipe de chercheur, je suis allé voir la méthodologie. Méthodologie industrielle actuelle. Ils ont rechargé un banc de batteries selon les normes actuelles où des batteries NCA ont été chargées à 6,4 A jusqu'à ce qu'elles atteignent une charge de 60%. Ensuite, ils ont attendu pendant 5 minutes suivi d'une charge de 1,6 A jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne 4,2 V. Une fois que la batterie a atteint 4,2 V, la cellule a été chargée par une tension constante à 4,2 V qui a conduit à une diminution progressive du courant pendant 30 minutes pour éliminer l'effet de polarisation à l'intérieur des batteries. C’est effectivement la norme dans l’industrie de recharger rapidement une batterie jusqu’à un certain point, les systèmes de gestion de batteries (BMS) des manufacturiers n’ont pas tous les mêmes paramètres, puis de baisser l’ampérage pour finaliser la recharge. La dernière partie étant, ce qu’on appelle communément, le balancement des cellules. Allons voir maintenant, la méthodologie employée par l’équipe de l’Université. Méthodologie de charge rapide adaptative pour des batteries Li-ion commerciales basées sur le spectre de résistance interne. Technique intermittente galvano statique de titrage (GITT).
La GITT est une technique avantageuse pour caractériser les propriétés cinétiques et thermodynamiques des batteries lithium-ion. Comme le montre la figure, la chute de tension peut être divisée en deux parties, la première comprend une chute linéaire soudaine, qui se rapporte à la résistance ohmique, et une relativement lente, la chute exponentielle qui se rapporte à la résistance de polarisation. Sur la figure, la chute de tension est encore divisée en trois parties par échelle de temps. Par conséquent, en calculant la résistance interne et le coefficient de diffusion des ions lithium diffusés à l'intérieur des structures, aux interfaces et dans l'électrolyte, peut être surveillé pendant la charge des batteries. Après tous les 30 cycles, la procédure GITT a été menée pour surveiller le changement de résistance interne des batteries à des taux de charge différents. Le GITT a été réalisé en rechargeant la batterie par une série d'impulsions DC, où la batterie a été rechargée pendant 10 minutes à 0,32A et laissée reposer pendant 10 minutes. Ensuite, les impulsions de charge ont été appliquées jusqu'à ce que la batterie atteigne 4,2 V. La résistance interne de la batterie à chaque taux de charge, pendant le processus de charge, a été calculée en utilisant la loi ohms indiquée dans le tableau.
Après avoir effectué un GITT sur la batterie NCA, la résistance et le coefficient de diffusion de la batterie peuvent être cartographiés sur un seul cycle de charge. La première figure en haut montre la courbe de résistance interne d'une batterie NCA vs le taux de charge. Sur la figure, la résistance interne a rapidement chuté et s’est stabilisée autour de 40 à 80%, puis a augmenté à nouveau jusqu'à ce que les batteries soient complètement chargées.
Dans la plupart des recherches précédentes, la méthode de charge optimale était principalement basée sur la courbe de charge optimale proposée par Joseph. A. Mas qui remonte à 1972. Elle est illustrée dans la figure du bas de la figure. I0 est le taux de charge initial, α est l'acceptation du taux de charge, t est le temps de charge. I0 et α sont liés au format, l'âge et d'autres paramètres de la batterie. Sur la base de cette théorie, les chercheurs ont développé diverses stratégies de charge pour les batteries lithium-ion, parmi lesquelles : la tension optimale, le courant optimal, ou universellement les fonctions adaptatives sont mises en évidence. Les recherches ont mentionné que le placage au lithium est le mécanisme le plus important pour la dégradation des batteries lithium-ion pendant une charge rapide. Par conséquent, l'optimum de la courbe est toujours valide puisque le placage au lithium se produit principalement à la fin du processus de charge, dans lequel le plus petit courant peut minimiser ce phénomène négatif. Cependant, cette courbe de charge optimale a été proposée pour les batteries au plomb à cette époque. Les mécanismes des batteries lithium-ion, avec différents types des configurations de cathode, d'anode et d'électrolyte, pendant les cycles de recharge, sont beaucoup plus compliqués. La résistance interne, et le spectre de coefficient de diffusion des batteries NCA testées dans cette recherche, montrent que la charge des batteries lithium-ion, basées sur cette courbe de charge optimale peut ne pas être universellement valable. Sur la base des données de résistance interne de la batterie NCA, une charge rapide basée sur la résistance interne a été conçue, comme illustré dans la figure. La technique de charge rapide basée sur la résistance interne charge la batterie à un taux nominal de 3,2A jusqu'à ce que la résistance interne de la batterie tombe à 0,054 Ohms (1280mAh). La batterie a ensuite été reposée pendant 5 minutes puis par une charge rapide à un taux de 6,4A jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne 4,2 V. La batterie a ensuite été reposée à nouveau pendant 5 minutes suivies d'une charge à courant constant de 1,6A jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne 4,2 V. Le repos était conçu pour que les batteries atteignent leur équilibre en neutralisant la polarisation provoquée par les surtensions élevées. Une fois que la tension de la batterie a atteint 4,2 V, la tension de la cellule a été maintenue, réalisant une charge de tension constante pendant 30 minutes. La même technique, qu’une charge rapide de l'industrie, a été mise en œuvre sur la charge rapide basée sur la résistance interne aux mêmes cycles aussi.
Dans la figure ci-haut, la diminution de la capacité des batteries sous la charge rapide basée sur la résistance interne était beaucoup plus lente que celle sous la charge rapide de l'industrie plus les cycles de recharge allaient en profondeur. Au cours des 13 premiers cycles, les capacités de la batterie des deux techniques de charge étaient similaires. Pourtant, la recharge soutenue comme l’industrie l’applique, a montré une diminution de capacité beaucoup plus grande (40% de capacité s'estompant autour du 40e cycle). Au contraire, la capacité de rétention des batteries sous la technique de résistance interne avec recharge rapide était toujours supérieure à 80% autour du 40e cycle.
Les conclusions de l’étude En résumé, ils ont étudié l'impact de la charge rapide sur la durée de vie, la performance, la dégradation et la sécurité des batteries lithium-ion, et ont proposé une méthode de charge rapide optimisée pour les batteries lithium-ion basées sur une analyse électrochimique (EIS et GITT) et analytique de caractérisation (SEM et XRD). La batterie NCA, l'une des plus largement utilisés pour les véhicules électriques, a été sélectionnée pour cette étude. L'analyse a montré que la charge rapide utilisée dans l’industrie a entraîné une augmentation de 78% de la résistance interne sur 120 cycles avec une décoloration rapide de la capacité. La distorsion mécanique du boîtier de la batterie s'est produite vers le 60e cycle, ce qui indique une dégradation grave et un risque pour la sécurité de cette technique de charge. Pendant ce temps, les batteries cyclées sous la charge rapide basée sur la résistance interne a montré seulement une augmentation de 29,4% de la résistance interne sur 120 cycles avec décoloration de capacité modérée. La distorsion mécanique du boîtier de la batterie n'a pas été détectée. La caractérisation et l'analyse révèlent les mécanismes de dégradation des batteries NCA sous différentes techniques de charge rapide, et les résultats ont montré que le contrôle du dégagement de gaz et transition de phase, qui s'est principalement produit de 0% à 40% de taux de charge, est la clé pour optimiser la technique de charge rapide. Il serait également essentiel de réaliser que les recherches actuelles d'optimisation des techniques de charge rapide basée sur celles élaborées en 1972 pourraient ne pas être applicables aux batteries lithium-ion, et nos travaux actuels ouvriront la voie à d'autres développements futurs dans ce domaine. Mes conclusions Je ne suis pas en lien d’aucune façon avec l’industrie. Je ne suis ni ingénieur, ni un scientifique, mais me passionne pour la science. Selon mes recherches précédentes, toute batterie perd son efficacité au fur et à mesure qu’elle avance en âge ainsi que par son utilisation. Selon cette étude, la recharge actuellement utilisée pour un banc de batteries n’ayant pas de systèmes de gestion thermique, est plus dommageable que la recharge promue par l’équipe de l’Université de Californie à Riverside. Pourquoi j’ajoute un élément à cette recherche? C’est que cet élément n’a pas été pris en compte dans la recherche. Quels seraient les résultats si on ajoutait, dans les deux cas, cet élément? Il faudrait refaire la recherche pour le savoir. Puisque la plupart des manufacturiers ont cet outil dans leurs véhicules électriques, il est difficile de savoir pourquoi ils ne l’ont pas pris en compte. Reste maintenant à savoir pourquoi le titre de l’article de La Presse est aussi inquiétant. Nous sommes passés de « détruit » à « endommage », puis moi je dirais « réduit ».
Commentaires
|
Abonnez-vous à notre infolettre hebdomadaire
Use a valid e-mail address Votre inscription est confirmée.
xhr
100
NOS PARTENAIRES |