Batterie lithium-ion : simulateur de charge pas à pas

Ce que montre le modèle

Ouvrez la batterie d’un ordinateur portable, d’un outil électroportatif ou d’une voiture électrique un peu ancienne, et vous trouverez souvent des rangées de cylindres métalliques identiques. Chacun est une cellule 18650, nommée d’après sa taille : 18 mm de diamètre et 65 mm de haut. Elle pèse moins de 50 grammes et peut pourtant faire briller une lampe torche puissante pendant des heures. Cette exposition en ouvre une et suit le lithium qu’elle contient.

À gauche se dresse la cellule, avec un quart de son boîtier découpé. Sous l’acier, on voit une longue bande de couches fines, serrée en rouleau comme un gâteau roulé. À droite, un minuscule morceau de cette bande est dessiné à l’échelle des atomes : feuille d’aluminium, cathode en oxyde métallique lamellaire, séparateur poreux imbibé d’électrolyte liquide, anode en graphite et feuille de cuivre. Un fil muni d’un chargeur ou d’une lampe relie les deux feuilles par le haut. Devant, des onglets de la scène montrent un téléphone sur son chargeur, une voiture électrique à une borne rapide ou une petite batterie assemblée à partir de copies de la même cellule.

Les boutons « Charger », « Décharger » et « Repos » décident dans quel sens voyagent les billes vertes de lithium. Le curseur d’état de charge les déplace à la main. Le panneau affiche la tension de la cellule, la charge et l’énergie qui y restent, et une courbe de la tension selon l’état de charge, avec un point rouge pour l’instant présent. Les curseurs série et parallèle reconstruisent la batterie, et le curseur de température fait passer la cellule par les étapes de l’emballement thermique.

Les valeurs de la cellule viennent de la fiche technique de la Panasonic NCR18650B, une cellule 18650 courante : capacité nominale de 3200 mAh, tension nominale de 3,6 V et tension de charge de 4,2 V. La forme de la courbe de tension entre vide et plein est un modèle, et le texte le signale partout où cela compte.

Pourquoi le lithium, et pourquoi deux électrodes

Une batterie stocke l’énergie sous forme d’une différence chimique entre deux matériaux. Reliez-les par un fil, et les électrons passent du matériau qui les retient mollement à celui qui les attire davantage. Le lithium est le métal le plus léger et cède très facilement son électron externe ; c’est pourquoi les chimistes des années 1970 se sont tournés vers lui quand ils cherchaient une batterie légère à haute tension.

Le lithium métallique pur est pourtant difficile à apprivoiser. Il réagit violemment avec l’eau et, quand on recharge une électrode en lithium métallique, de fins filaments de lithium y poussent. S’ils atteignent l’autre électrode, la cellule se met en court-circuit. La cellule lithium-ion contourne le problème en n’utilisant jamais le lithium sous forme de métal. Le lithium reste à l’état d’ions, et ces ions sont toujours stockés dans un autre matériau : dans la cathode quand la cellule est vide, dans l’anode quand elle est pleine. Les chimistes appellent intercalation ce rangement d’invités entre les couches d’un cristal hôte.

Une cellule lithium-ion, ce sont donc deux hôtes séparés par un liquide. La charge fait passer le lithium de l’oxyde au graphite, où il se trouve à une énergie bien plus élevée. La décharge le laisse redescendre. La tension de la cellule mesure la hauteur de cette chute.

Où loge le lithium

La cathode du modèle est un oxyde lamellaire comme l’oxyde de lithium et de cobalt, LiCoO₂. Les atomes de cobalt (bleus) forment des feuillets plats, chacun pris entre deux feuillets d’atomes d’oxygène (rouges). Le lithium se loge dans les espaces entre ces sandwichs. Comme les feuillets restent liés que le lithium soit là ou non, celui-ci peut sortir des espaces et y revenir sans que le cristal s’effondre. Beaucoup de cellules actuelles utilisent des cathodes NMC ou NCA, qui mêlent nickel, manganèse, cobalt ou aluminium dans la même structure en couches.

L’anode est en graphite : des feuillets plats d’atomes de carbone liés en hexagones et empilés les uns sur les autres. Le lithium se glisse entre les feuillets. Dans le modèle, l’oxyde offre 40 places au lithium et le graphite 42, et les 40 billes vertes se répartissent entre les deux.

Chaque électrode est une pâte de particules minuscules déposée sur une feuille métallique. La cathode repose sur de l’aluminium, l’anode sur du cuivre. Les feuilles ne participent pas à la chimie ; elles collectent les électrons et les conduisent aux bornes. Dans la cellule de gauche, l’aluminium est relié par une languette au capuchon, qui est la borne positive, et le cuivre au fond du boîtier, qui est la borne négative.

Charge et décharge, pas à pas

Appuyez sur « Charger ». Le chargeur retire des électrons de la cathode par l’aluminium et les pousse dans le fil jusqu’au graphite. Le graphite porte maintenant un surplus de charge négative et l’oxyde en a perdu, si bien que les ions lithium (qui portent une charge positive) quittent l’oxyde, traversent l’électrolyte, passent par les pores du séparateur et se glissent entre les feuillets de carbone. Les électrons bleus dans le fil et les ions verts dans la cellule vont dans le même sens, de gauche à droite, mais par des chemins différents.

Appuyez sur « Décharger » et la lampe remplace le chargeur. Le lithium dans le graphite est à une énergie plus élevée, donc le processus descend la pente : les électrons quittent le graphite, allument la lampe et arrivent à la cathode, tandis que les ions retournent dans l’oxyde à travers l’électrolyte. Tant qu’une bille est dans le liquide, elle porte un léger halo vert, pour que vous repériez les ions en chemin.

Tout le secret tient dans ces deux chemins. L’électrolyte laisse passer les ions mais pas les électrons ; la seule façon pour les électrons de suivre les ions est donc de passer par le fil, où l’on peut leur faire fournir un travail.

Tension, charge et énergie, calculs à l’appui

La tension entre les bornes dépend de la quantité de lithium restant dans le graphite. Vide, la cellule repose vers 3,1 V ; pleine, vers 4,1 V. La courbe du panneau monte d’abord fortement, puis reste presque plate au milieu et remonte à la fin. Les extrémités correspondent aux sources : Battery University donne 3,0 à 4,2 V comme plage de fonctionnement typique du lithium-ion à base de cobalt, avec une charge jusqu’à 4,20 V par cellule.

Quand un courant circule, la résistance interne de la cellule décale la tension. Le modèle donne à la cellule 0,05 Ω et utilise un courant de 1,6 A, la moitié de la capacité de la cellule par heure (0,5 C). La tension se décale ainsi de 1,6 × 0,05 = 0,08 V : vers le haut à la charge, vers le bas à la décharge. Le chargeur atteint donc sa limite de 4,20 V juste quand le modèle atteint 100 %, et la tension en charge tombe à 3,00 V juste quand il atteint 0 %.

Voici les valeurs du modèle :

L’énergie, c’est la tension multipliée par la charge. Le calcul rapide utilise la tension nominale : 3,6 V × 3,2 Ah = 11,52 Wh, la valeur qu’on imprimerait sur l’étiquette. Le panneau additionne l’énergie tranche par tranche sous la courbe de tension et obtient 11,93 Wh au repos. En décharge à 0,5 C, la tension moyenne du modèle est de 3,65 V et la cellule fournit 11,68 Wh, à moins de 1,4 % de la valeur de l’étiquette. Battery University décrit les 3,6 V nominaux comme à peu près la tension à mi-décharge d’une cellule à base de cobalt déchargée à 0,5 C, et la tension à mi-décharge du modèle sous charge est de 3,63 V.

Combien d’ions cela fait-il ? Un ampère-heure vaut 3600 coulombs, donc 3,2 Ah valent 11 520 coulombs. Divisez par la charge d’un ion, 1,602 × 10⁻¹⁹ coulomb, et vous obtenez environ 7,2 × 10²² ions lithium qui passent de l’oxyde au graphite à chaque charge complète. Chaque bille verte du modèle représente 80 mAh, soit environ 1,8 × 10²¹ ions.

Le modèle se charge en 40 secondes. À 1,6 A, la vraie cellule aurait besoin de deux heures pour la même quantité de charge ; le modèle va donc environ 180 fois plus vite. La charge standard de la fiche technique prend quatre heures, car le chargeur maintient 4,2 V à la fin et laisse le courant décroître.

Série, parallèle et batteries

Une cellule donne environ 3,6 V. Un ordinateur portable, un vélo électrique ou une voiture ont besoin de plus de tension ou de capacité, alors on associe des cellules. En série, les cellules additionnent leurs tensions et sont traversées par le même courant ; en parallèle, elles se partagent le courant et additionnent leurs capacités. Les ingénieurs notent l’assemblage ainsi, par exemple : 10s4p, soit dix groupes en série, chacun formé de quatre cellules en parallèle.

La ligne 4s2p mérite qu’on s’y arrête. La FAA américaine autorise normalement les batteries lithium-ion jusqu’à 100 Wh ; huit de ces cellules totalisent 92 Wh. Avec l’accord de la compagnie, jusqu’à deux batteries de rechange de plus de 100 Wh et au maximum 160 Wh sont permises. Les rechanges doivent rester en cabine, bornes protégées ; la compagnie peut imposer des limites plus strictes. Dans la batterie, les bandes de nickel du dessus relient le pôle positif d’une colonne au pôle négatif de la suivante, et une colonne sur deux est retournée pour que ce soit possible.

Une vraie batterie a aussi besoin d’un système de gestion qui surveille la tension de chaque groupe en série. Si un groupe dérivait au-dessus des autres, il serait le premier à dépasser 4,2 V pendant la charge ; l’électronique équilibre donc les groupes.

Comment une cellule chaude se met à s’échauffer seule

Une cellule chargée renferme beaucoup d’énergie tout près d’un liquide inflammable. La plupart du temps, ce n’est pas un problème, car les surfaces réactives sont protégées. Le graphite est recouvert d’un film mince appelé interphase d’électrolyte solide, ou SEI, qui se forme sur l’anode et empêche l’électrolyte de réagir avec le carbone chargé de lithium.

Montez le curseur de température et vous suivrez ce que décrivent les Sandia National Laboratories. Vers 120 °C, la SEI commence à se dégrader. L’électrolyte atteint le graphite et réagit avec lui en dégageant de la chaleur, et la cellule se met à s’échauffer seule même si rien ne la chauffe de l’extérieur. Dans le modèle, la vitesse d’auto-échauffement est alors de 0,2 °C par minute, la valeur que Sandia utilise pour marquer le début du phénomène.

Vers 135 °C, le polyéthylène du séparateur ramollit et ses pores se ferment. C’est une sécurité appelée fermeture (en anglais, shutdown) : pores bouchés, les ions ne passent plus, et la charge comme la décharge s’arrêtent. Dans le modèle, le courant tombe à zéro et les ions se figent sur place. Une étude sur les séparateurs en polyéthylène les a vus rétrécir de plus de moitié à 150 °C ; une fois que le film se retire des bords, les électrodes peuvent se toucher et provoquer un court-circuit à l’intérieur de la cellule.

Plus haut encore, la cathode chargée commence à se décomposer et dégage de l’oxygène. Sandia indique des températures de début de 150 °C à 250 °C selon la cathode ; Battery University cite environ 210 °C comme valeur typique pour le NMC. De l’oxygène libéré dans une cellule pleine de solvant inflammable, voilà ce qui transforme une cellule chaude en incendie. Sandia parle d’emballement thermique dès que la cellule s’échauffe seule de 10 °C par minute ou plus, car à ce rythme aucun refroidissement extérieur ne peut suivre. Le modèle atteint cette vitesse à 210 °C. Au-delà, des atomes d’oxygène rouges s’échappent de l’oxyde et de la fumée sort de l’évent sous le capuchon.

La même chaîne peut démarrer sans aucune chaleur extérieure : une cellule écrasée ou percée peut se mettre en court-circuit interne, et ce court-circuit la chauffe de l’intérieur.

Utiliser les cellules lithium-ion en sécurité

Les conseils de sécurité des pompiers découlent directement de cette chaîne.

• Ne percez pas, n’écrasez pas et ne pliez pas une cellule ou une batterie. La National Fire Protection Association (NFPA) américaine cite la perforation et l’écrasement parmi les principales causes d’incendie de batteries lithium-ion.
• Chargez avec le chargeur prévu pour l’appareil. Un chargeur conçu pour une autre batterie peut pousser la cellule au-delà de 4,2 V ou continuer à charger une fois qu’elle est pleine.
• Cessez d’utiliser une batterie qui gonfle, dégage une odeur inhabituelle, devient très chaude, émet des craquements ou change de couleur.
• Ne chargez pas une batterie abîmée ou qui a été immergée.
• Ne jetez pas les batteries usagées dans la poubelle ménagère ni dans le bac de recyclage. L’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) demande de les apporter à des points de collecte de piles et batteries, bornes recouvertes de ruban adhésif.

Ce que ce modèle laisse de côté

• Les distances ne sont pas à l’échelle. Dans une vraie cellule, chaque revêtement fait quelques dizaines de micromètres d’épaisseur et le séparateur est plus fin encore ; l’espace que traversent les ions est donc immense comparé aux atomes. Le modèle le comprime pour qu’il tienne à côté des électrodes.
• Les électrodes sont dessinées comme des cristaux parfaits. Les vraies sont des pâtes de particules avec un liant et du noir de carbone, et les couches du cristal pointent dans toutes les directions.
• Les 40 ions du modèle peuvent tous bouger. Un vrai oxyde lamellaire ne cède qu’une partie de son lithium avant de devenir instable, et une partie du lithium est consommée pour former la SEI.
• La courbe de tension est une forme lisse de modèle. Une vraie courbe dépend de la chimie de la cathode, de la température, de l’âge et du courant.
• Les étapes de l’échauffement utilisent des températures uniques tirées des sources. Dans une vraie cellule, elles se chevauchent et dépendent de la taille, de la chimie et du niveau de charge.
• La batterie n’a ni électronique de gestion ni fusible.
• Seule la cellule à oxyde lamellaire utilise des valeurs de fiche technique. Les courbes de tension LFP, LTO et sodium-ion, leurs capacités, la limite de dépôt et l’horloge 180 fois plus rapide sont des valeurs du modèle.

Trois chimistes et un prix Nobel

Le prix Nobel de chimie 2019 a été attribué à John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino « pour le développement des batteries lithium-ion ». Le récit du comité Nobel commence au début des années 1970, quand Whittingham, qui travaillait chez Exxon, construisit la première batterie au lithium fonctionnelle, avec une cathode en disulfure de titane capable d’accueillir des ions lithium entre ses couches. Elle donnait un peu plus de deux volts, mais son anode était en lithium métallique, trop réactif pour un usage courant.

Goodenough supposa qu’un oxyde métallique donnerait une tension plus élevée qu’un sulfure. En 1980, il présenta l’oxyde de lithium et de cobalt, qui produisait environ quatre volts, près du double. En 1985, Yoshino remplaça l’anode en lithium métallique par du coke de pétrole, un matériau carboné qui peut lui aussi accueillir des ions lithium. Ainsi naquit la première batterie lithium-ion viable commercialement : les deux électrodes étaient des hôtes, et le lithium métallique n’était plus nécessaire. Une entreprise japonaise d’électronique commença à vendre des batteries lithium-ion en 1991.

De l’étiquette du téléphone à la batterie automobile

Une batterie de téléphone portant 5 000 mAh et 3,85 V possède une énergie nominale de 5 Ah × 3,85 V = 19,25 Wh. Le premier nombre mesure une charge, pas une énergie. L’énergie change avec la tension même si les mAh restent identiques. Comparer un téléphone et une batterie externe uniquement en mAh peut donc tromper : la batterie externe peut annoncer la tension de ses cellules internes, alors que sa sortie USB fonctionne à une autre tension. La conversion dissipe aussi de l’énergie en chaleur. Ce calcul compare des étiquettes, sans prédire exactement l’autonomie d’un téléphone particulier.

Pour un exemple automobile volontairement simplifié, supposons une batterie de 75 kWh nominaux utilisant les cellules de 11,52 Wh de l’exposition. Convertissons 75 kWh en 75 000 Wh. La division par 11,52 Wh donne environ 6510 cellules. C’est une estimation énergétique, pas un schéma de câblage réalisable. Le nombre en série doit aussi correspondre à la plage de tension de l’onduleur du moteur, et le nombre en parallèle doit être entier. Les voitures réelles peuvent employer des cellules cylindriques plus grandes, des cellules souples ou prismatiques. Une batterie de 75 kWh n’a donc pas forcément un nombre proche de celui-ci. Le refroidissement et le boîtier ajoutent de la masse sans ajouter d’énergie de cellule.

L’énergie massique, en Wh/kg, exige la même attention au périmètre. La valeur d’une cellule exclut les plaques de refroidissement et l’électronique de protection de la batterie. Comparer une cellule NMC seule et une batterie LFP assemblée revient à comparer des ensembles différents. L’énergie utilisable peut aussi être inférieure à l’énergie nominale si la gestion conserve des réserves aux extrémités de charge. Ni le compteur de l’exposition ni le calcul du téléphone ne comptent ces réserves. Il faut préciser tension, périmètre et conditions de fonctionnement avant de classer les batteries.

Courant de charge et chaleur

Le régime C exprime le courant relativement à la capacité. Pour cette cellule de 3,2 Ah, 0,5 C correspond à 1,6 A et 1 C à 3,2 A. Si le courant restait constant tout au long de la charge, 1 C fournirait la charge nominale en une heure. La charge réelle d’une cellule lithium-ion ne maintient pas ce courant jusqu’au bout. Le chargeur atteint la limite de tension, puis maintient cette tension en réduisant le courant. Diviser une heure par le régime C maximal annoncé ne suffit donc pas à calculer la durée.

Le modèle suppose une résistance interne de 0,05 Ω. L’estimation de l’échauffement résistif est I²R : à 1,6 A, elle donne 0,128 W ; à 3,2 A, ce serait 0,512 W. Doubler le courant quadruple cet échauffement si la résistance reste fixe. Ce sont des exemples calculés, pas une autorisation de charger la cellule présentée à un courant supérieur. La résistance varie avec température, charge et vieillissement ; la chaleur réelle inclut aussi des contributions électrochimiques. Le curseur de courant de la scène (régime C) couvre les deux cas : à 1 C, la valeur « Chaleur due au courant » est quatre fois celle de 0,5 C.

Le chargeur doit aussi laisser à l’anode la possibilité d’accepter le lithium. Un transport rapide dans l’électrolyte ne suffit pas si le lithium n’entre pas assez vite dans le graphite. Le froid rend la charge rapide particulièrement difficile. La synthèse d’Edge et de ses collègues décrit la charge rapide à basse température comme un déclencheur majeur du dépôt de lithium. La plage de température autorisée par le fabricant ne garantit donc pas la sécurité de toute vitesse de charge dans cette plage.

Pourquoi la capacité baisse sans fuite

La SEI limite les réactions continues entre graphite et électrolyte. Sa formation et sa croissance consomment pourtant du lithium et de l’électrolyte. Le lithium immobilisé dans ces produits ne transporte plus de charge entre les électrodes. Une couche plus épaisse peut aussi accroître la résistance. Une cellule intacte peut ainsi stocker moins de charge et subir une chute de tension plus forte sous charge. Il s’agit de vieillissement chimique, pas d’une charge s’échappant par un trou invisible.

Le vieillissement continue pendant le stockage. Une température et un état de charge élevés peuvent accélérer les réactions parasites. Âge calendaire et nombre de cycles décrivent donc des aspects distincts de l’historique. Pendant les cycles, les variations de volume peuvent fissurer les particules. Les nouvelles surfaces permettent davantage de réactions et de formation de SEI. Il n’existe pas de nombre universel d’années ou de cycles auquel toutes les batteries lithium-ion tombent en panne : chimie, conception et usage comptent.

Le dépôt de lithium constitue une autre dégradation. Au lieu d’entrer dans le graphite, le lithium se dépose sous forme métallique à sa surface. Une partie peut revenir lors du fonctionnement ultérieur, mais une autre s’isole ou réagit pour former davantage de SEI. Les dépôts métalliques peuvent aussi contribuer aux courts-circuits internes. Sur la scène, une charge trop rapide pour la température fait pousser des aiguilles argentées de lithium sur le graphite. Cette limite est une valeur du modèle : la scène montre la tendance, elle ne diagnostique pas une vraie cellule.

Décharger complètement avant chaque recharge ne restitue pas le lithium perdu. Le conseil connu sur l’effet mémoire concerne d’autres comportements de batteries, pas une obligation de vider les cellules lithium-ion modernes. Le 0 % d’un appareil signifie généralement que sa protection a atteint la limite basse, non qu’il ne reste aucun ion lithium. Il ne faut pas contourner cette protection pour obtenir une décharge prétendument plus complète.

Ce que prouve un essai de transport

UN 38.3 concerne l’aptitude au transport des cellules et batteries au lithium. Le Southwest Research Institute cite simulation d’altitude, cycles thermiques, vibrations, chocs et court-circuit externe, ainsi qu’écrasement ou impact, surcharge et décharge forcée selon les cas. Ces essais contrôlés s’appliquent en fonction du type de cellule ou batterie. Les réussir ne signifie pas qu’une batterie endommagée ne brûlera jamais, ni que chaque exemplaire a subi tous les essais destructifs.

Le curseur de température illustre une séquence de défaillance, pas une certification ni une méthode d’essai domestique. Dans une vraie cellule, les réponses de la SEI, du séparateur et de la cathode se chevauchent. Leur apparition dépend de la chimie, de la charge et du chauffage. Un court-circuit de faible résistance peut créer un point chaud avant que tout le boîtier atteigne une température citée. Utilisez les équipements certifiés selon leur destination et les instructions du fabricant ; ne chauffez et ne percez jamais une cellule pour vérifier l’exposition.

Lire les valeurs avec les commandes

Choisissez Repos à un état de charge intermédiaire et notez la tension à vide. Sans modifier la charge, passez à Décharger : la tension aux bornes baisse, car le modèle soustrait la chute due à la résistance interne. Charger produit l’effet opposé. Le point rouge correspond au mode sélectionné, pas à une autre batterie de chimie différente. Déplacer manuellement le curseur de charge saute le temps du transfert ; ce n’est pas un essai de charge rapide.

Comparez 1s1p et 4s2p au même état de charge. La tension nominale passe de 3,6 V à 14,4 V, et la capacité de 3,2 Ah à 6,4 Ah. L’énergie passe de 11,52 Wh à 92,16 Wh, correspondant à huit cellules. Modifier les connexions redistribue tension et capacité de charge, sans créer d’énergie chimique. Ramenez la température à sa valeur habituelle avant les comparaisons électriques : la fermeture du séparateur arrête volontairement les ions dans le modèle chaud.

Sur la scène, vous pouvez aussi essayer directement. Faites glisser la prise jusqu’au téléphone, ou le pistolet de charge jusqu’à la voiture, et la scène charge au rythme de cet appareil : environ 1,3 C pour un chargeur rapide de téléphone et 2,33 C en moyenne pour une voiture qui passe de 10 % à 80 % en 18 minutes. À mesure que la charge monte, le graphite devient bleu foncé, rouge puis doré, et ses couches s’écartent de 10 %. Augmentez le courant ou refroidissez la cellule sous 0 °C et des aiguilles argentées de lithium poussent sur le graphite. Le curseur de chimie remplace l’oxyde lamellaire par du LFP, une anode LTO ou du sodium-ion, et la courbe de tension change avec lui. L’onglet des commandes propose douze défis, dix matériaux de batterie avec leurs sources et sept choses cachées sur la scène.