Gagner un maximum d’autonomie en un minimum de temps : c’est la promesse de la charge rapide. Ce processus aboutit cependant à une dégradation accélérée de la batterie, ce qui altère au final ses performances. Quels sont les phénomènes physiques qui produisent ce phénomène ?


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    Recharger la batterie de sa voiture aussi vite qu’on fait un plein d’essence, c'est le rêve de l'industrie automobileautomobile électrique. Et il faut bien dire que les progrès en la matièrematière sont considérables : le groupe suisse ABB promet ainsi une borne capable de gagner 100 kilomètres d’autonomie en moins de trois minutes ! Le problème, c'est que la charge rapide entraîne une altération irréversible de la batterie, aboutissant à une baisse de ses performances.

    Le fonctionnement d’une batterie lithium-ion

    Pour comprendre ce phénomène, revenons d'abord sur le fonctionnement d'une batterie lithium-ionbatterie lithium-ion. Celle-ci se compose d'une cathodecathode (électrodeélectrode chargée positivement) et d'une anodeanode (électrode chargée négativement), séparés par un matériaumatériau appelé électrolyte qui sert à conduire les électronsélectrons de l'une à l'autre. Lors du processus de charge, les ions lithiumlithium Li+ quittent la cathode et sont « récupérés » par l'anode. Cette dernière, qui est généralement en graphitegraphite, n'est pas uniforme mais percée de nanopores dans lesquelles viennent s'intercaler les ions Li+, via un processus appelé « intercalation ».

    Lors de la charge, les ions LI+ s’intercalent dans le graphite <em>via</em> un processus appelé intercalation. © Laboratoire national d’Argonne
    Lors de la charge, les ions LI+ s’intercalent dans le graphite via un processus appelé intercalation. © Laboratoire national d’Argonne

    Une désorganisation du réseau atomique du graphique

    Or, lorsque la batterie est chargée trop rapidement, l'intercalation ne se déroule pas proprement. Au lieu de s'intercaler en douceur entre les atomesatomes de graphite, les ions lithium ont tendance à s'agglutiner à la surface de l'anode, entraînant la formation d'une sorte de « placageplacage » qui conduit à un épaississement et à une déformation de l'électrode. En plus du placage à la surface de l'anode, il se produit une accumulation de produits de réaction à l'intérieur des pores de l'électrode, ce qui endommage de façon irréversible la batterie.

    Au bout de plusieurs cycles de charge rapides répétés, on observe que l'anode devient de plus en plus désordonnée au niveau atomique, ce qui empêche le processus d'intercalation. « Même un petit nombre de cycles à très haut débit peut induire une dégradation importante et permanente du graphite, explique Daniel Abraham, spécialiste au laboratoire national d'Argonne (États-Unis). La solution serait de trouver un moyen d'éviter cette perte d'organisation ou de modifier les particules de graphite afin que les ions lithium puissent s'intercaler plus efficacement. »

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    Il est néanmoins à noter que la charge rapide endommage moins l'anode au début de la charge, ce qui implique que la plupart des constructeurs prévoient un chargement en plusieurs étapes (charge élevée au départ pendant une courte période de temps, puis plus lente par la suite). Mais il faut bien avoir conscience que la charge rapide va altérer plus rapidement la batterie. Question de priorité...