Marion Fuhrmann et Laurent Torcheux, tous deux ingénieurs chercheurs à la R&D d’EDF, ainsi que Yo Kobayashi, ingénieur à la Tokyo Electric Power Company (TEPCO), ont récemment publié dans la revue Journal of Power Sources. L’article témoigne d’une méthode innovante pour mieux prévoir la fin de vie des batteries lithium-ion.
Connaissez-vous les auteurs ?
Marion Fuhrmann est ingénieure chercheuse au sein de l’équipe « Technologies de batteries » à la R&D d’EDF. Elle est responsable du laboratoire dédié à l’expertise des batteries qui réalise des études post-mortem des dispositifs de stockage électrochimique. Ses activités portent principalement sur la compréhension et l'anticipation des mécanismes de vieillissement des cellules lithium-ion, grâce notamment à des méthodes de caractérisation électrochimique et physico-chimique.
Laurent Torcheux est ingénieur chercheur sénior à la R&D d’EDF et expert Groupe sur la compétence « Stockage de l’énergie ».
Yo Kobayashi est ingénieur chercheur sénior en électrochimie. Pendant plus de 25 ans, il a travaillé au CRIEPI (Institut Central de Recherche des Industries Électriques Japonaises) et a été en détachement au sein de la R&D d’EDF pendant 2 ans (2019-2021). Depuis 2022, il travaille à la R&D de TEPCO (Tokyo Electric Power Company).
La R&D d’EDF entretient une collaboration de longue date avec le CRIEPI et TEPCO sur le vieillissement et la sécurité des batteries, incluant des essais expérimentaux, le partage de données ou encore la participation conjointe à des congrès.
Ensemble, ces chercheurs ont écrit une publication scientifique, parue en août 2024, dans la revue Journal of Power Sources.
Publication dans la revue Journal of Power Sources
Prédiction du knee point pour les batteries lithium-ion à l'aide d'une méthode d'analyse par tension différentielle et du degré d'inhomogénéité
Dans quel cadre s’intègrent ces travaux ?
Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont reconnues comme une solution de stockage d'énergie de premier plan pour les applications stationnaires et en mobilité, promettant durabilité et gestion efficace de l'énergie. La compréhension et la maîtrise de leur vieillissement sont essentielles dans la mise en œuvre de ces applications.
Publication
Certaines cellules Li-ion présentent une dégradation lente, quasi-linéaire et prévisible de leur capacité, mais ensuite, elles se dégradent de façon irréversible et atteignent un point d'inflexion (appelé knee point), après lequel la dégradation s'accélère rapidement jusqu'à la fin de vie de la cellule. Le knee point est le point de transition qui marque un changement soudain dans la pente du vieillissement de la cellule : au-delà de ce point, la diminution de la capacité de la batterie est beaucoup plus rapide. La prévision de ce moment est cruciale pour estimer la durée de vie opérationnelle de la cellule et assurer la sécurité des installations afférentes. Toutefois, la cause et le moment de l'apparition de ce phénomène ne sont pas encore bien compris. Cette étude propose une nouvelle méthodologie pour anticiper l'apparition de cette transition lors de l'exploitation d'une batterie. Elle repose sur l’analyse précise de la tension différentielle et la prise en compte des inhomogénéités au sein des cellules (répartition non homogène des ions au sein des électrodes de la cellule).
La tension différentielle est une donnée particulièrement utile pour comprendre comment la tension de la batterie change à mesure que sa capacité augmente ou diminue. Son analyse précise a permis d’élaborer une méthode pour quantifier le degré d’inhomogénéité dans les cellules. Les inhomogénéités sont à l'origine du phénomène dit de lithium plating, qui correspond à la formation de lithium métallique sur l'anode en graphite de la cellule Li-ion. Cette réaction est irréversible et implique une diminution rapide de la capacité de la batterie. Elle est l’une des causes de l’apparition du knee point. Ce dépôt de lithium peut provoquer la croissance de dendrites (structures en forme d'aiguilles) et des courts-circuits internes, mais aussi des réactions exothermiques. Par conséquent, un knee point dû à cette réaction est à éviter pendant le fonctionnement de la cellule Li-ion. Le risque d'inhomogénéité augmente avec la taille des cellules, d’où l’importance de bien l'anticiper pour les batteries stationnaires qui contiennent des cellules de plus grande capacité que les véhicules électriques. Le risque augmente également avec le vieillissement de la batterie. Il a été montré que la prise en compte du degré d'inhomogénéité au sein de la cellule dans l'analyse par tension différentielle permet d'estimer le risque de lithium plating et donc de knee point. L'ouverture de la cellule à l'issue des essais de vieillissement et de caractérisation a permis de confirmer la présence de lithium plating à la surface de l'anode.
Comment EDF va pouvoir utiliser les travaux de cette publication ?
Cette étude apporte une contribution significative à la compréhension du vieillissement des batteries, en particulier celles dotées de cellules de grande capacité, un segment encore peu exploré dans la littérature. Brevetée, cette méthode est innovante car elle quantifie le degré d’inhomogénéité, ce que les autres travaux ne proposent pas. Ces recherches peuvent aider tout exploitant de batteries pour anticiper les pertes de performance et de sécurité de son parc.
Domaine de la publication : vieillissement des batteries, stockage
La revue Journal of Power Sources
Journal of Power Sources est une revue scientifique à comité de lecture publiant des articles concernant les batteries, les piles à combustible, les supercondensateurs et les cellules photo-électrochimiques. Créée en 1976, elle est publiée par Elsevier.
Impact Factor 2023 : 8.1
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