La question de la meilleure chimie pour l'électrification des véhicules se pose souvent. Il existe différents types de piles ou de batteries, dont il convient d'évaluer les avantages et les inconvénients afin de prendre une décision en connaissance de cause.

Tout d'abord, il y a les batteries au plomb. Elles sont bon marché, mais ne sont pas très durables et n'offrent pas des performances très élevées. Elles sont également assez lourdes. Une autre option est celle des batteries nickel-métal-hydrure, qui sont plus efficaces que les batteries plomb-acide et moins lourdes. Elles sont cependant un peu plus chères.

Enfin, parmi les types de batteries, nous avons les batteries lithium-ion, qui sont les plus avancées et les plus populaires aujourd'hui. Elles sont légères, durables et offrent une grande puissance. Bien qu'elles nécessitent un investissement important, elles offrent un excellent retour sur investissement et sont plus respectueuses de l'environnement.

Aujourd'hui, les piles au lithium sont très populaires dans un large éventail d'applications. Au départ, elles étaient principalement utilisées dans les téléphones portables, les ordinateurs et le petit outillage. Mais aujourd'hui, de plus en plus de fabricants de machines industrielles et de véhicules électriques adoptent cette technologie pour la transition électrique de leurs flottes. Les batteries au lithium sont utilisées dans divers secteurs, tels que la logistique, la manutention, la construction, les plates-formes aériennes, l'agriculture, les véhicules aéroportuaires et la marine.

Le choix de la bonne batterie au lithium pour un véhicule est devenu plus complexe que jamais, mais il est encore plus important en raison des dernières réglementations du Parlement européen qui ont approuvé l'interdiction de la vente de véhicules à essence et diesel à partir de 2035.

Cependant, toutes les piles au lithium ne sont pas identiques. De nombreux facteurs doivent être pris en compte pour trouver la batterie adaptée à une application spécifique. Il existe plusieurs types de piles au lithium sur le marché. En outre, outre la tension, il y a les dimensions d'une batterie au lithium et un processus complexe qui comprend la recherche et le développement, les essais techniques et, surtout, le choix de la bonne chimie pour répondre aux besoins du véhicule.

Les six chimies à base de lithium les plus couramment utilisées et leurs caractéristiques

Les six produits chimiques à base de lithium les plus couramment utilisés sont les suivants :

• Oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2)
• Oxyde de lithium et de manganèse (LiMn2O4)
• Lithium-ferro-phosphate (LiFePO4)
• Nickel-Manganèse-Cobalt (LiNixMnyCozO2)
• Nickel-Cobalt-Aluminium (LiNiCoAlO2)
• Titanate de lithium (Li4Ti5O12)

Nous allons maintenant examiner de plus près chacun d'entre eux, leurs avantages et leurs inconvénients.

1) Composition et caractéristiques des piles au lithium avec la chimie LCO : Lithium - Cobalt - Oxyde (LiCoO 2 )

Les piles au lithium avec la chimie LCO (Lithium Cobalt Oxide) se composent d'une cathode en oxyde de cobalt et d'une anode en graphite. La chimie de la cathode est LiCoO2 et l'électrolyte utilisé est une solution de sels de lithium dans un solvant organique. 

Les batteries fabriquées avec cette chimie LCO ont une densité énergétique élevée et une longue durée de vie, ce qui les rend adaptées à une utilisation dans des appareils portables tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables. Cependant, elles ont tendance à surchauffer et peuvent être instables si elles sont mal chargées ou soumises à des températures élevées, ce qui peut entraîner une fuite d'électrolyte et l'explosion de la batterie. 

En outre, le cobalt est un matériau cher et rare, ce qui rend les batteries au lithium avec la chimie LCO plus coûteuses que les autres options.

• Tension nominale : 3,6 V.
• Densité gravimétrique : 200 Wh/Kg
• Densité énergétique : 400 Wh/l
• Cycles de vie complets : 500 - 1000
• Taux de décharge : 1C

2. Composition et caractéristiques des piles au lithium à chimie LMO : Lithium - Manganèse - Ossido (LiMn 2 O 4 )

Les piles au lithium avec la chimie LMO (Lithium Manganese Oxide) ont une cathode en oxyde de manganèse et une anode en graphite. La chimie de la cathode est LiMn2O4 et l'électrolyte utilisé est une solution de sels de lithium dans un solvant organique. La principale caractéristique des batteries LMO est leur capacité à fournir beaucoup d'énergie en peu de temps.

Ces piles ont une capacité de décharge élevée, une longue durée de vie et sont moins sujettes à la surchauffe que les piles au lithium avec la chimie LCO. En outre, le manganèse est un matériau moins coûteux et plus abondant que le cobalt, ce qui rend les piles au lithium avec la chimie LMO plus économiques et plus respectueuses de l'environnement. 

Toutefois, ces piles ont une densité énergétique plus faible que les piles au lithium avec la chimie LCO et peuvent souffrir d'une dégradation à long terme de la cathode si elles sont chargées et déchargées à des courants ou des températures élevés.

Ils sont souvent utilisés pour les vélos électriques, dans le monde du jardinage, dans les équipements médicaux et les outils électriques, tels que les perceuses et les tournevis.

Les batteries LMO présentent une stabilité thermique supérieure à celle des batteries LCO chimiques, mais leur capacité est limitée et inférieure à celle des systèmes à base de cobalt.

• Tension nominale : 3,7 V.
• Énergie spécifique : 150 Wh/Kg
• Densité énergétique : 350 Wh/l
• Cycles de vie complets : 300 - 700
• Taux de décharge : 1C, 10C

3. Composition et caractéristiques des piles au lithium à chimie LFP : Lithium - Ferro - Phosphate (LiFePO4)

Les piles au lithium à chimie LFP (Lithium Ferro Phosphate) ont une cathode composée de phosphate de fer lithié, une anode en graphite et un électrolyte à base de sels de lithium. 

Ces piles sont réputées pour leur grande sécurité, car elles ne contiennent pas de matériaux inflammables tels que le cobalt utilisé dans les piles au lithium de la chimie LCO. En outre, les piles au lithium à chimie LFP sont plus résistantes aux températures élevées et à la surcharge que les autres piles au lithium.

Cette chimie est couramment utilisée dans des applications nécessitant une fiabilité et une sécurité élevées. Il s'agit donc d'un monde très vaste, allant de l'automatisation à la robotique, en passant par la logistique, la construction, l'agriculture, la marine, les véhicules électriques, les véhicules aéroportuaires, les plates-formes aériennes et les véhicules spéciaux.

Les batteries à chimie LFP sont, en fait, les plus performantes du marché. plus sûr et plus stable actuellement sur le marché. En outre, ils sont disponibles à l'adresse suivante formats de grande capacitéLe système est conçu pour répondre aux exigences des systèmes industriels, sans qu'il soit nécessaire de connecter de nombreuses petites cellules en parallèle, ce qui réduirait la stabilité et compromettrait la sécurité.

Les batteries dotées de la chimie LFP ont une durée de vie plus longue et peuvent supporter plus de 3 500 cycles. En outre, elles pourraient dépasser les 4 000 cycles si un système BMS approprié est intégré pour les surveiller. On estime qu'elles pourraient même atteindre 6 000 cycles à l'avenir.

Il est toutefois important de noter que les cycles de vie n'indiquent pas la fin complète de la batterie, car on considère que la durée de vie utile d'une batterie de véhicule est épuisée lorsqu'il ne reste plus que 80% de sa capacité d'origine. Malgré cela, la batterie peut encore être utile pour d'autres applications, telles que le stockage d'énergie.

Un autre avantage important des batteries LFP est leur courbe de décharge plate, ce qui signifie que la tension de la batterie reste constante pendant la décharge. On peut donc constater que la tension de 100% à 0% est très similaire, ce qui est un fait fondamental.

Cette caractéristique permet aux machines et aux véhicules industriels de fonctionner de manière cohérente et uniforme du début à la fin de la décharge. Outre leur durabilité et leur stabilité, les batteries LFP sont connues pour être très sûres, ce qui les rend adaptées à une utilisation dans les véhicules et autres applications industrielles.

• Tension nominale : 3,2 V.
• Densité gravimétrique : 170 Wh/Kg
• Densité énergétique : 350 Wh/l
• Cycles de vie complets : > 4000
• Taux de décharge : 1C/3C

La courbe plate de la chimie LFP, qui permet des performances constantes pendant la décharge de la batterie, peut rendre difficile la détermination précise de l'état de charge. Cependant, avec un bon système BMS, ce problème peut être surmonté pour fournir un état de charge correct et équilibrer efficacement la batterie. 

En outre, l'un des principaux avantages de la chimie des LFP est l'absence totale de cobalt, un matériau toxique et nocif pour l'environnement. En outre, alors que la densité énergétique de la chimie LFP était auparavant faible, elle a maintenant augmenté de manière significative, ce qui a suscité un grand intérêt pour l'électrification des véhicules. En fait, de nouvelles augmentations de la densité gravimétrique sont déjà attendues dans les années à venir pour atteindre 220/230 Wh/Kg.

Tesla et d'autres constructeurs automobiles réintroduisent la chimie LFP en raison de son niveau de sécurité plus élevé et de son coût inférieur à celui d'autres chimies utilisées dans les véhicules à haute performance. 

La densité énergétique devrait continuer à augmenter dans un avenir proche, faisant de la chimie LFP une option de plus en plus attrayante pour le stockage de l'énergie et l'électrification des véhicules.

4. Composition et caractéristiques des piles au lithium à chimie NMC : Nickel - Manganèse - Cobalt (LiNixMnyCozO2)

Les piles au lithium à chimie NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) sont composées de trois éléments principaux : le nickel, le manganèse et le cobalt, qui sont utilisés dans des proportions différentes selon le type de pile. 

Dans le secteur automobile, les batteries au lithium avec la chimie NMC sont toujours les plus courantes et les plus utilisées. Ces batteries offrent une énergie spécifique très élevée, qui peut atteindre 220-240 Wh/kg. Il s'agit d'un grand avantage concurrentiel pour les véhicules, car elles leur permettent de stocker beaucoup d'énergie avec un poids et un volume réduits, ce qui signifie qu'une plus grande quantité d'énergie peut être installée dans le véhicule par rapport à d'autres technologies de batteries au lithium. 

Il existe plusieurs types de chimie des PNM :

Le nombre qui suit l'abréviation NMC indique la proportion de ces éléments utilisée pour la cathode. Par exemple, les cellules NMC 811 ont une forte concentration de nickel et une faible teneur en manganèse et en cobalt, tandis que les cellules NMC 111 ont une proportion égale de chaque élément.

• NMC 111 (Nickel 33,3% - Manganèse 33,3% - Cobalt 33,3%)
• NMC 622 (Nickel 60% - Manganèse 20% - Cobalt 20%)
• NMC 811 (Nickel 80% - Manganèse 10% - Cobalt 10%)

• Tension nominale : 3,6 V.
• Densité gravimétrique : 220 Wh/Kg
• Densité énergétique : 500 Wh/l
• Cycles de vie complets : 2 000
• Taux de décharge : 2C/3C

L'abréviation NMC est accompagnée de trois chiffres indiquant la quantité d'éléments utilisés pour la cathode. La dernière version, NMC 811, a une forte teneur en nickel et une faible teneur en manganèse et en cobalt, ce qui se traduit par une densité énergétique plus élevée à un coût moindre. Bien que l'objectif soit de minimiser le cobalt dans la technologie NMC, cet élément reste essentiel pour la stabilité du système et la durabilité de la batterie. 

Cependant, certaines entreprises recherchent de nouvelles technologies innovantes, comme Svolt, qui a déjà mis au point la première cellule NMX totalement exempte de cobalt.

5. Composition et caractéristiques des piles au lithium avec NQA : nickel - cobalt - aluminium (LiNiCoAIO2)

Les piles au lithium à chimie NCA utilisent comme cathode un mélange de nickel, de cobalt et d'aluminium, représenté par la formule chimique LiNiCoAIO2. Ce mélange permet d'obtenir une densité énergétique élevée et une longue durée de vie de la batterie. Le nickel assure la stabilité structurelle, tandis que le cobalt et l'aluminium augmentent la densité énergétique.

Outre les NMC, des batteries à chimie NCA sont également utilisées dans les l'industrie automobile. 

Les piles au lithium avec la chimie NCA ont une densité énergétique élevée qui peut atteindre 250-300 Wh/kg, bien qu'elles aient un niveau de sécurité légèrement inférieur à celui des piles NMC. 

Elles sont composées principalement de nickel, avec une faible teneur en cobalt et en aluminium, ce qui les rend similaires à la structure des piles NMC 811. Pour équilibrer la densité énergétique avec la sécurité et la stabilité, les piles NCA sont souvent mélangées avec des produits chimiques NMC.

En mélangeant les deux produits chimiques, il est possible d'obtenir une batterie ayant une densité énergétique raisonnablement élevée et un niveau adéquat de sécurité et de stabilité.

• Tension nominale 3,6 V
• Densité gravimétrique : 250 Wh/Kg
• Densité énergétique : 550 Wh/l
• Cycles de vie complets : 1 000
• Taux de décharge : 2C/3C

6. Composition et caractéristiques des piles au lithium à chimie LTO : Titanate de lithium (Li4Ti5O12)

Il s'agit d'une technologie de batterie qui n'est pas très connue, mais qui semble avoir un grand potentiel en termes de durée de vie, en raison de sa faible dégradation due à de faibles tensions internes et à l'absence de contraintes mécaniques. Elle est donc idéale pour les machines et les véhicules lourds. 

Cependant, il présente deux faiblesses majeures : 

• Une faible densité énergétique (177Wh/l) et des niveaux gravimétriques (60-70 Wh/kg) ainsi qu'une tension nominale plus faible de 2,4V ou 2,8V : cela signifie qu'il faut plus d'éléments en série pour obtenir la tension de batterie souhaitée.
• Leur coût est actuellement très élevé, ce qui se traduit par le faible nombre de producteurs de cellules LTO dans le monde, probablement en raison des faibles volumes actuellement requis par le marché.

Cela dit, il s'agit d'un type de chimie d'électrification des véhicules qui présente certains avantages. Outre sa longue durée de vie, la technologie LTO a également une grande capacité à fonctionner dans une large gamme de températures. En outre, elle peut être chargée et déchargée rapidement avec un taux de courant élevé par rapport à sa capacité nominale (taux C élevé). 

Cette technologie est particulièrement adaptée aux applications qui nécessitent une utilisation intensive et continue, telles que les machines AGV (véhicule à guidage automatique). Par exemple, une flotte de chariots élévateurs autonomes fonctionnant 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 bénéficierait de l'utilisation de batteries LTO, qui peuvent être chargées rapidement afin de réduire les temps d'arrêt et d'accroître l'efficacité de l'usine.

• Tension nominale 2,4 V
• Densité gravimétrique : 70 Wh/Kg
• Densité énergétique : 177 Wh/l
• Cycles de vie complets : 15 000 - 20 000
• Taux de décharge : 4C/8C

De la théorie à la pratique : utiliser la bonne chimie du lithium pour la bonne application

Chacun des six principaux types de chimies à base de lithium actuellement utilisés pour l'électrification est utile et très performant, mais nous ne devrions pas les considérer comme des concurrents. Au contraire, chaque chimie du lithium a ses avantages et donne les meilleurs résultats dans différents domaines d'application.

Ce diagramme est très illustratif afin de voir les différences entre chaque type de chimie de batterie. 

• L'énergie spécifique ou la densité gravimétrique mesure la quantité d'énergie que la batterie peut stocker par rapport à son poids.
• La sécurité fait référence au degré de sécurité de la batterie en termes de stabilité thermique de ses composants.
• Le taux C indique la capacité de la batterie à charger et décharger de l'énergie, ce qui est lié à sa capacité à générer de l'énergie.
• Le cycle de vie fait référence au nombre de fois que la batterie peut être déchargée et rechargée avant que sa capacité ne soit réduite à 80% de la capacité résiduelle.
• Le coût fait référence au prix de la batterie et est un facteur important à prendre en compte dans le choix de la bonne batterie pour une application donnée.

Comment choisir le bon type de chimie du lithium ?

A ce stade, essayons d'expliquer en détail pourquoi choisir un produit ou un autre en fonction de chaque cas et de chaque application.

Batteries NMC et NCA pour le secteur automobile

Les batteries NMC et NCA sont largement utilisées dans le secteur automobile en raison de leur densité énergétique élevée, qui leur permet de fournir une grande quantité d'énergie dans un espace réduit. 

Dans le domaine de la mobilité électrique, la densité énergétique, la densité gravimétrique et la puissance spécifique sont des éléments clés, et la vitesse de charge et les puissances d'accélération élevées sont considérées comme des points essentiels, en particulier dans les modèles haut de gamme. 

Dans ce secteur, d'autres caractéristiques telles que des cycles de vie longs ne sont pas essentielles, car elles ne sont pas nécessaires. Dans le cas d'une automobile, il est peu probable qu'elle effectue de nombreux cycles en une seule journée et, en général, seule 20-30% de la charge est utilisée au cours d'une journée. 

Par conséquent, les cycles de vie des batteries avec la chimie NMC ne dépassent pas 2000, et avec la chimie NCA, les cycles de vie atteignent 1000.

Batteries LFP et LTO pour le secteur industriel

Dans différents secteurs, tels que l'agriculture, l'industrie et l'électrification de véhicules spéciaux, il est plus approprié d'utiliser des batteries avec des chimies telles que LFP et LTO plutôt que NMC et NCA. En effet, dans ces secteurs, la sécurité, la fiabilité et la durée de vie sont plus importantes que la densité énergétique et les performances.

Dans l'industrie, par exemple, l'espace n'est pas un problème et la sécurité est une priorité, en particulier dans les applications très cycliques qui sollicitent la batterie. 

Dans ces cas, il est préférable d'avoir une batterie qui prend un peu plus de place, mais qui garantit une sécurité optimale et une durée de vie plus longue. En outre, dans les applications stationnaires, la densité énergétique n'est pas aussi importante que le coût et les cycles de vie de la batterie. 

Batteries LCO et LMO pour les petites applications mobiles

Si vous avez besoin d'une batterie très petite pour des outils et des applications mobiles, le plus important est qu'elle soit légère afin de ne pas affecter les performances globales de l'application en raison d'un poids excessif. Dans ce cas, les chimies de batterie telles que LCO et LMO sont idéales car elles offrent une densité d'énergie élevée dans un emballage petit et léger. 

Bien que ces produits chimiques aient une durée de conservation plus courte et soient plus risqués en termes de sécurité en raison de leur petite taille, ils sont acceptés pour garantir la compétitivité du produit sur le marché.

BMS optimise les caractéristiques de la chimie choisie

Toutes ces informations montrent que les diagrammes peuvent être utiles pour comprendre les caractéristiques générales de chaque chimie de batterie, mais il faut garder à l'esprit que les données sont indicatives et que la technologie et l'innovation sont en constante évolution. 

Il est donc important de se tenir au courant et de faire appel à des fabricants expérimentés pour concevoir des batteries qui répondent aux besoins spécifiques de l'application.

En outre, la chimie n'est pas le seul facteur qui affecte les performances de la batterie. Le système de gestion de la batterie (BMS) est également important, car il est capable de tirer le meilleur parti des caractéristiques de la chimie choisie et de garantir des performances constantes dans le temps. 

Un BMS, ou système de gestion de la batterie, est un ensemble de dispositifs électroniques et de logiciels qui gèrent et surveillent le fonctionnement d'une batterie rechargeable. Le BMS contrôle et surveille divers paramètres de la batterie, tels que la température, la tension et le courant, et protège la batterie contre la surcharge, la décharge excessive, la surchauffe, les courts-circuits et d'autres événements susceptibles d'endommager la batterie ou de réduire sa durée de vie. 

Ces systèmes peuvent également équilibrer la charge des cellules de la batterie pour s'assurer qu'elles fonctionnent toutes ensemble de manière optimale. 

Enfin, un système de gestion intelligent peut analyser les données de la batterie et ajuster son comportement pour maximiser les performances et l'efficacité en fonction des besoins spécifiques de l'application.