Simple, non ? Sauf que rien dans ces batteries n'est en réalité simple une fois que l'on commence à creuser dans les détails, ce que je suis sur le point de faire parce que je ne peux pas m'en empêcher.
Mais pourquoi le lithium ? (C'est ici que je deviens ennuyeux)
Élément numéro 3. Hydrogène, hélium, lithium. C'est l'ordre. Très petit atome car il ne contient que 3 protons.
Et voici le problème avec le lithium - : il veut VRAIMENT se débarrasser de son électron externe. Comme si il le voulait désespérément. C'est un peu instable de cette façon. Vous connaissez ces vidéos de personnes jetant du sodium dans l’eau qui pétille et prend feu ? Le lithium fait cela, mais PLUS. J'ai vu quelqu'un laisser tomber un morceau de lithium métallique dans un seau d'eau une fois lors d'une démonstration de sécurité en 2011 (ou 2012 ?) et c'était honnêtement assez effrayant de voir la rapidité avec laquelle il a réagi. Le seau a fondu.
Attends non, le seau n'a pas fondu. L'eau a bouilli et le lithium a pris feu à la surface. Le seau allait bien. Ma mémoire est de la merde.
Quoi qu’il en soit, le lithium métal pur est dangereux. C'est pourquoi les batteries lithium-ion modernes n'utilisent pas de lithium métallique pur - mais utilisent des lithium-IONS. Lithium déjà oxydé. La forme Li+. Beaucoup plus stable.
La tension que vous obtenez est d'environ 3,6 à 3,7 V par cellule, ce qui est correct. Mieux qu'alcalin (1,5 V) ou NiMH (1,2 V). Cela signifie que vous avez besoin de moins de cellules pour atteindre votre tension cible. C'est pourquoi la batterie de votre ordinateur portable comporte 6 cellules au lieu de 15.
De plus, - et j'aurais dû mentionner que ce premier - lithium est LÉGER. Troisième élément le plus léger. Vous obtenez ainsi une densité énergétique élevée sans un poids insensé. C'est pourquoi les véhicules électriques utilisent du lithium-ion et non du plomb-acide. Une batterie au plomb-avec la même énergie pèserait littéralement 5 à 6 fois plus. Votre Tesla aurait besoin d'un chariot élévateur pour changer la batterie.
Les composants réels (attachez votre ceinture, cela devient technique)
Anode (côté négatif) :
Généralement du graphite. Oui, la même chose que celle des crayons, sauf en beaucoup plus pure et traitée différemment.
Le graphite a cette structure cristalline en couches - imaginez un jeu de cartes au niveau atomique. Les couches sont maintenues ensemble par de faibles forces de Van der Waals (la chimie du lycée revient vous hanter). Les ions lithium peuvent se glisser entre ces couches et simplement... y rester. Le terme technique est « intercalation », mais j'y pense comme garer des voitures dans un garage à plusieurs étages.
La capacité maximale théorique est de 372 milliampères-heures par gramme. Dans le monde réel-, vous obtenez 340 à 360 mAh/g si la fabrication n'est pas nulle. J'ai vu des cellules de certains fabricants chinois qui pouvaient à peine atteindre 310 mAh/g. Je ne vais pas nommer des noms, mais si vous réorganisez les lettres dans "BYD", vous obtenez... ok, je nomme des noms. Leurs premières cellules étaient rudimentaires. Cependant, ils se sont bien améliorés depuis 2018.
Aujourd’hui, tout le monde parle des anodes en silicium, car le silicium peut théoriquement contenir 10 fois plus de lithium que le graphite. Cela semble incroyable, n'est-ce pas ? Capacité théorique de 3700+ mAh/g.
Le problème - et c'est le problème qui a été "presque résolu" depuis que j'ai débuté dans cette industrie - est que le silicium se dilate d'environ 300 % lorsque vous le lithiez. Les particules se brisent littéralement. Imaginez gonfler un ballon à l’intérieur d’un bloc de béton. Le béton ne fléchit pas, il se brise.
Tesla utilise désormais du silicium, mélangé à du graphite. Peut-être 5 à 10 % de silicium ? J'ai entendu dire que c'était 8 %, mais je me trompe peut-être. Le fait est que c'est une petite somme. Les anodes en silicium pur ne sont toujours pas prêtes malgré ce que prétend le pitch deck de série A de chaque startup.
Cathode (côté positif) :
Oh mon garçon. C'est là que ça devient compliqué car il y a environ 6 compositions chimiques cathodiques différentes et tout le monde a des opinions sur laquelle est la meilleure et elles ont toutes tort car cela dépend de votre application.
L'original de Sony en 1991 était de l'oxyde de lithium et de cobalt - LiCoO₂. Nous l'appelons « LCO » en abrégé. La densité énergétique est assez bonne - 150-200 mAh/g selon celui qui l'a fabriqué. Mais la stabilité thermique est terrible. Si vous le surchargez ou le chauffez trop, la structure cristalline libère de l’oxygène. Oxygène + électrolyte organique + chaleur=mauvaise journée. Votre téléphone utilise probablement du LCO, car les téléphones n'ont pas besoin de durer 10 ans et vous ne les chargez pas rapidement-à 10 C.
Ensuite, il y a l'oxyde de nickel-manganèse-cobalt NMC -. C’est ce qu’utilisent actuellement la plupart des véhicules électriques. Le rapport nickel/manganèse/cobalt ne cesse de changer. Commencé comme 1:1:1 (parties égales). Les fabricants sont ensuite passés au 5:3:2. Puis 6:2:2. Nous sommes maintenant à 8:1:1 ou même 9:0,5:0,5 dans certaines cellules haut de gamme.
Pourquoi ce changement ? Le cobalt est cher. Genre vraiment cher. De plus, la majeure partie du cobalt provient de la RDC (République démocratique du Congo) et la situation minière y est... compliquée. Travail des enfants, conditions dangereuses, tout le désordre. Tout le monde essaie donc d’utiliser moins de cobalt.
Plus de nickel=plus de capacité mais moins de stabilité thermique. Plus de manganèse=moins cher et plus stable mais moins de capacité. Plus de cobalt=plus stable et meilleure durée de vie mais $$$ et problèmes éthiques.
Il s'agit toujours de-compromis. Toujours. J'ai eu tellement de disputes avec les chefs de produit à ce sujet. Ils veulent une densité énergétique élevée ET une longue durée de vie ET un faible coût ET une bonne sécurité. Vous pouvez en choisir peut-être deux. Peut être.
Il existe également du NCA - nickel-cobalt-aluminium. Tesla l'a utilisé pendant des années dans ses-packs longue portée. Panasonic les a fabriqués à la gigafactory du Nevada. J'ai visité une fois une autre usine de batteries - pas celle-là, mais les installations d'un concurrent - et la salle sèche à elle seule étaient insensées. Le système de traitement de l'air a probablement coûté 50+ millions de dollars. Tout doit être en dessous du point de rosée de -40 degrés, sinon le sel électrolytique absorbe l'humidité et crée de l'acide fluorhydrique. L’HF rongera n’importe quoi. Verre, métal, os. Des trucs désagréables.
Oh et LFP - phosphate de fer et de lithium. Celui-ci fait son grand retour. C'est plus sûr, moins cher par kWh et dure plus longtemps. J'ai entendu parler de cellules LFP effectuant 5000+ cycles à 80 % de leur capacité. Peut-être même 6 000. L'inconvénient est une densité d'énergie plus faible - seulement comme 120-140 mAh/g contre 180-200 pour NMC.
Tesla a commencé à installer des LFP dans ses modèles 3 de la gamme standard vers 2021. Le marché chinois les a eus en premier. C'est logique - CATL est le plus grand fabricant de LFP et ils sont en Chine.
Certaines personnes se plaignent de la perte de portée du LFP par temps froid. C'est pire que NMC. Mais les cellules sont moins chères et durent plus longtemps, donc pour de nombreuses applications, le compromis en vaut la peine-. Je prendrais un pack LFP pour une citadine. Pour un véhicule de croisière à longue portée-, peut-être pas.
Électrolyte:
C'est le liquide au milieu. Il conduit les ions mais pas les électrons, ce qui est important car s'il conduisait les électrons, il y aurait simplement un court-circuit.
Il s'agit généralement d'hexafluorophosphate de lithium - LiPF₆ - dissous dans des solvants organiques. Les solvants sont généralement un mélange de carbonate d'éthylène (EC) et de carbonate de diméthyle (DMC) ou de carbonate de diéthyle (DEC).
Voici un détail étrange : la CE est solide à température ambiante. Le point de fusion est d'environ 36 degrés. La CE pure gèlerait donc en hiver. C'est pourquoi vous le mélangez avec du DMC ou du DEC qui sont liquides jusqu'à -70 degrés ou autre. Le mélange reste liquide dans des conditions raisonnables.
Les carbonates organiques sont également inflammables. Pas d'essence-niveau inflammable mais certainement inflammable. J'ai vu une fois un test de pénétration de clou où nous enfoncions délibérément un clou dans une cellule complètement chargée. Il a d'abord évacué le gaz - bruit sec -, puis des flammes ont jailli par le trou d'aération. Atteint environ 2 mètres de haut. La cellule entière a atteint peut-être 800 degrés d'après les images de la caméra thermique.
C'était un test contrôlé avec suppression des incendies et tout. Ça fait quand même peur.
Le sel LiPF₆ est hygroscopique comme l'enfer. Aime l'eau. S'il est mouillé, il s'hydrolyse en HF. C'est pourquoi la fabrication des batteries s'effectue dans des pièces extrêmement sèches. Je parle d'un point de rosée de -40 degrés ou moins. Le système de déshumidification est généralement l’un des plus gros consommateurs d’énergie dans une usine de cellules.
Une fois, j'ai visité un établissement où la pièce sèche était si sèche qu'il était difficile de respirer. Votre nez se dessècherait en quelques minutes. Tous ceux qui travaillaient là-bas devaient constamment utiliser un spray salin. Un environnement de travail pas agréable.
Séparateur:
Le composant oublié. Ce n'est qu'une fine membrane polymère mais c'est essentiel.
Généralement en polypropylène (PP) ou en polyéthylène (PE). Parfois un tricouche avec PP-PE-PP. L'épaisseur est généralement de 20 à 25 microns. C'est mince. Plus fin qu'un cheveu humain (70-100 microns).
Il a des pores microscopiques - d'un diamètre de 100 nanomètres - qui laissent passer les ions mais bloquent les électrons. Il maintient également l'anode et la cathode physiquement séparées. S'ils touchent un=court-circuit =, les mauvaises choses arrivent rapidement.
Vous vous souvenez des incendies du Samsung Galaxy Note 7 ? 2016. Cela était en partie dû à des dommages au séparateur. Samsung a conçu la batterie de manière trop agressive. Trop fin, trop serré, aucune tolérance d'expansion. Dans certaines cellules, le séparateur était trop fort dans un coin. Point faible développé. J'ai finalement eu un trou d'épingle. Court interne. Emballement thermique. Feu.
Ils ont rappelé 2,5 millions de téléphones. Interdit d'avions. Cela a coûté des milliards à Samsung. Tout cela à cause d’un morceau de plastique plus fin que le papier.
J'ai des opinions sur la conception agressive des batteries. Les fabricants continuent de proposer des produits plus fins et plus légers pour battre la concurrence. Mais il y a une limite. La physique ne se soucie pas du calendrier de lancement de votre produit.
Comment ça marche réellement (la partie que tout le monde saute)
Chargement :
Vous branchez votre téléphone. Le chargeur force les électrons dans l’anode et les extrait de la cathode. Cela fait que la cathode libère des ions lithium. Les ions traversent l'électrolyte jusqu'à l'anode. Ils s'intercalent dans la structure du graphite.
Pensez-y comme si vous comprimiez un ressort. Les ions lithium ne veulent pas être naturellement dans l'anode - ils sont plus stables dans la cathode. Mais vous les forcez là-bas en appliquant une tension. Énergie stockée.
Décharge :
Vous débranchez et utilisez votre téléphone. Le printemps se libère. Les ions lithium retournent à la cathode à travers l'électrolyte. Les électrons circulent dans le circuit de votre téléphone, de l'anode à la cathode. Ce flux d’électrons alimente votre appareil.
La tension dépend de la chimie et de l'état de charge. Pour NMC ou NCA :
Complètement chargé : ~4,2 V
Nominale : ~3,7 V
Complètement déchargé : ~3,0 V
Ne descendez pas en dessous de 3,0 V ou vous commencez à placage du lithium métal, ce qui est dangereux. Ne dépassez pas 4,2 V ou vous risquez un emballement thermique. C'est pourquoi il existe des systèmes de gestion de batterie (BMS). Ils surveillent la tension, la température et le courant et arrêtent les appareils si quelque chose ne va pas.
Une bonne conception de BMS est difficile. Vraiment dur. Vous avez besoin de temps de réponse rapides, de capteurs précis et de contrôles de sécurité redondants. Un BMS bon marché est l’un des moyens les plus rapides de transformer une batterie décente en risque d’incendie.
Les problèmes (oh mec, il y a tellement de problèmes)
Problème 1 : la dégradation est inévitable
Chaque cycle de charge-décharge endommage la batterie. Inévitable. Thermodynamique.
Il y a cette chose appelée la couche SEI - interphase d'électrolyte solide - qui se forme à la surface de l'anode. C'est effectivement nécessaire au fonctionnement de la batterie. Mais il ne cesse de croître avec le temps et de consommer du lithium actif. Après 500 cycles, il peut vous rester 90 % de capacité. Après 1000, peut-être 80 %. Après 2000... ça dépend.
J'ai un MacBook de 2015 qui affiche toujours un état de santé de 78 % de la batterie. Je le garde cependant - le laisse rarement descendre en dessous de 40 %, le garde branché lorsque cela est possible, ne le charge jamais dans une voiture chaude. Ma femme a un MacBook 2018 dont la santé est de 62 % parce qu'elle l'utilise dur. Cycles complets quotidiennement, le laisse charger toute la nuit, l'utilise sur ses genoux pendant qu'il fait chaud. La façon dont vous traitez la batterie compte BEAUCOUP.
La cathode se dégrade également. Le NMC à haute teneur en-nickel est particulièrement mauvais. Au-dessus de 4,3 V, la surface de la cathode commence à réagir avec l'électrolyte. Les ions des métaux de transition (nickel, manganèse, cobalt) peuvent se dissoudre et migrer vers l'anode où ils perturbent le SEI. Il y a aussi cette chose appelée densification cathodique où la structure cristalline se compacte lentement et perd sa porosité.
Je ne peux pas vraiment empêcher cela. C'est juste de la chimie. L'entropie gagne toujours.
Problème 2 : La température détruit tout
En dessous de 0 degré, l’électrolyte devient visqueux comme du miel froid. Le transport des ions ralentit. Vous perdez peut-être 20-30 % de capacité à -10 degrés. Pire encore, si vous essayez de charger rapidement une batterie froide, vous plaquerez du lithium métallique sur l'anode au lieu de l'intercaler. Cela crée des dendrites – des structures en forme d’aiguilles de lithium métallique qui peuvent se développer et éventuellement percer le séparateur. Court interne. Feu.
Au-dessus de 40-45 degrés, toutes les réactions de dégradation s'accélèrent. Règle générale : chaque augmentation de 10 degrés double la vitesse de réaction. Ainsi, une batterie à 45 degrés se dégrade environ 4 fois plus vite qu’à 25 degrés.
J'habite au Texas. Les températures estivales ont atteint 100 degrés F+ (38 degrés +). J'ai vu des batteries de véhicules électriques qui ont perdu 15 % de leur capacité en 3 ans simplement à cause de l'exposition à la chaleur. Pendant ce temps, les véhicules électriques du Minnesota se dégradent à peine en été - mais perdent de l'autonomie en hiver à cause du froid. Je ne peux pas gagner.
La température de fonctionnement idéale est de 20 à 25 degrés. Bonne chance pour maintenir cela dans le monde réel.
Problème 3 : la charge rapide est intrinsèquement problématique
Tout le monde veut recharger son véhicule électrique en 10- minutes, comme dans une station-service. Mais transmettre une puissance massive à travers une batterie génère de la chaleur. Pertes I²R - courant au carré multiplié par la résistance. La résistance est petite mais pas nulle. À une charge de 250 kW, vous générez une chaleur importante.
De plus, une charge rapide sollicite mécaniquement les matériaux des électrodes. Force les ions à se déplacer rapidement à travers la structure. Peut provoquer des fissures et des fractures de particules au fil du temps.
Les superchargeurs Tesla (V3) peuvent produire une pointe de 250 kW. Mais ils diminuent rapidement. Peut-être 250 kW pendant 5 minutes, puis 150 kW, puis 100 kW, puis 50 kW. C'est le BMS qui protège les cellules.
Les nouveaux systèmes 800 V de Porsche et Hyundai peuvent produire 350 kW. Mais seulement brièvement. La physique est la physique.
Des recherches sont en cours sur les conceptions d'électrodes à charge rapide-optimisée-. Électrodes plus fines, particules plus petites, meilleurs revêtements. Cela aide. Mais on ne peut pas tromper la thermodynamique.
Problème 4 : incendie
Les batteries au lithium-ion ne prennent pas souvent feu. Bien moins que les voitures à essence. Mais quand ils le font, c'est dramatique.
Emballement thermique. Une fois qu'une cellule atteint une température critique - varie selon la chimie, peut-être 150-200 degrés - les réactions exothermiques commencent. SEI se décompose. Le séparateur fond. L'électrolyte bout. La cathode libère de l'oxygène. Chaque réaction produit de la chaleur qui déclenche davantage de réactions. Boucle de rétroaction positive.
Vous ne pouvez pas l'éteindre avec de l'eau comme un feu normal. Je veux dire que vous pouvez verser de l'eau dessus pour le refroidir, mais la cellule continue de générer de la chaleur en interne. Les pompiers détestent les incendies de véhicules électriques. Prenez des heures pour éteindre. Peut se rallumer plus tard.
Les cellules modernes disposent cependant de dispositifs de sécurité. Séparateurs d'arrêt qui se ferment lorsqu'ils sont chauffés. Évents de pression. Interruptions actuelles. Fusibles thermiques. De plus, le BMS surveille tout.
Cela arrive encore parfois. Cela fait l'actualité à chaque fois, même si statistiquement, les véhicules électriques sont plus sûrs que les voitures à essence. Problème de relations publiques.
Problème 5 : L’éthique du cobalt
70% du cobalt provient de la RDC. Une grande partie provient de mines artisanales où les conditions de travail sont mauvaises. Rapports sur le travail des enfants. Dommages environnementaux. C'est le bordel.
Tout le monde essaie d'utiliser moins de cobalt. Le NMC à haute teneur en-nickel en utilise très peu. LFP utilise zéro. Mais le cobalt stabilise la structure de la cathode. Sans cela, vous avez besoin d’une meilleure gestion thermique et de limites de tension plus strictes.
Les prix du cobalt sont également insensés. Moins de 30 000 $/tonne en 2016. A grimpé à plus de 90 000 $ en 2018. S'est effondré à 25 000 $ en 2020. Maintenant autour de 35 000 $/tonne. Comment planifier la production lorsque le coût de vos matières premières fluctue par 3 ?
Problème 6 : Chaos de la chaîne d’approvisionnement
Les prix du lithium sont devenus complètement fous en 2021-2022. 6 000 $/tonne en 2020. A culminé à environ 80 000 $/tonne fin 2022. S'est effondré à 12 000 $/tonne en 2024. Maintenant autour de 15 000 $/tonne en 2025.
La plupart du lithium provient d'Australie (exploitation minière de roches dures) ou d'Amérique du Sud (extraction de saumure de salines au Chili/Argentine/Bolivie - le « triangle du lithium »). Mais la majeure partie de la transformation a lieu en Chine. Comme 75 % de la capacité mondiale de raffinage du lithium.
La Chine contrôle également la fabrication de batteries pour - 75 % de la production mondiale de cellules. Et 90 % des matériaux d'anode (traitement du graphite).
C’est pourquoi les États-Unis et l’Europe s’efforcent de créer des chaînes d’approvisionnement nationales. Mais c'est lent. Il faut des années pour construire une giga-usine. Il faut plus de temps pour construire la chaîne d’approvisionnement en amont.
Le lithium de qualité-batterie doit être ultra pur. Moins de 0,01% d'impuretés. Ce niveau de raffinage n’est ni bon marché ni rapide.
Pourquoi nous sommes coincés avec le lithium-ion (pour l'instant)
Malgré tout ce dont je viens de me plaindre, le lithium-ion reste la meilleure option à l'échelle commerciale.
Densité énergétique : 250-300 Wh/kg au niveau de la cellule. Peut-être 160-180 Wh/kg au niveau du pack après avoir ajouté le refroidissement, la structure et le BMS. C'est suffisant pour des véhicules électriques de 300+ miles sans poids ridicule.
Comparer:
Plomb-acide : 30 à 50 Wh/kg (lourd comme de la merde)
NiMH : 60-120 Wh/kg (ce que la Prius a utilisé)
NiCd : 40-60 Wh/kg (également toxique, en grande partie éliminé)
La fabrication est mature. Des dizaines de fournisseurs. Plusieurs gigafactories. Chaînes d’approvisionnement établies. Économie d’échelle.
La gigafactory de Tesla au Nevada vise 35 GWh/an. C'est suffisant pour plus de 500 000 véhicules électriques. CATL en Chine fait encore plus de - je pense 200+ GWh/an ? Peut-être 300 ? Il faudrait que je vérifie.
Toute l'infrastructure utilise également du lithium-ion. Normes de recharge (CCS, NACS, CHAdeMO). Algorithmes BMS. Règles de sécurité. Processus de recyclage. On ne peut pas simplement échanger une chimie différente sans tout repenser.
Qu'est-ce qui pourrait le remplacer à terme
Piles à l'état solide- :Remplacez l'électrolyte liquide par de la céramique solide, du verre ou du sulfure. Avantages : pas de fuite, moins de risque d'incendie, peut-être utiliser des anodes au lithium métallique pour une densité énergétique plus élevée.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - tout le monde y travaille. QuantumScape revendique 800 Wh/kg dans des cellules de laboratoire avec 800+ cycles. Impressionnant si c'est vrai.
Problèmes : Résistance d'interface entre l'électrolyte solide et les électrodes. Difficile de maintenir un bon contact sur des milliers de cycles à mesure que les matériaux se dilatent/se contractent. La plupart des électrolytes solides sont fragiles - les dendrites peuvent les traverser. La fabrication à grande échelle n’a absolument pas fait ses preuves.
Je suis sceptique sur le fait que nous verrons cela dans les voitures grand public avant 2030. Peut-être 2028 si quelqu'un fait une percée. Mais probablement plus tard. J'ai entendu "l'état solide-est dans 5 ans" au cours des 10 dernières années.
Lithium-soufre :Densité énergétique théorique de 2600 Wh/kg. Le soufre est bon marché et abondant.
Problème : effet navette polysulfure. Les produits intermédiaires se dissolvent dans l'électrolyte, provoquant une décoloration rapide de la capacité. Après 50 cycles, la batterie est grillée.
Ce problème est "presque résolu" depuis 20+ ans. Toujours pas là.
Sodium-ion :Cela se passe réellement maintenant. CATL a commencé la production en 2023. BYD y travaille.
Le sodium est partout (eau de mer). Bien moins cher que le lithium. Peut utiliser un équipement de fabrication similaire.
Mais la densité énergétique est plus faible : 150-160 Wh/kg contre 250-300 pour le lithium-ion.
Cela a du sens pour le stockage stationnaire et les véhicules électriques économiques. Nous ne remplacerons pas de sitôt le lithium-ion dans les produits haut de gamme.
Anodes au lithium métal :Utilisez du lithium métallique au lieu du graphite. Conservez l'électrolyte liquide. Pourrait atteindre 400-500 Wh/kg au niveau de la cellule.
Le problème des dendrites persiste. Chacun a sa propre solution - revêtements, additifs électrolytiques, etc. Nous verrons qui réussira en premier.
Oh etbatteries au lithium polymère- devrait probablement les mentionner. Ils utilisent un gel ou un électrolyte polymère solide au lieu d'un liquide. Des formes plus fines, plus légères et plus flexibles. Vos écouteurs sans fil en ont probablement un. Légèrement plus sûr que le liquide, mais la densité énergétique est à peu près la même. Il s'agit toujours d'une technologie lithium-ion, simplement emballée différemment. Les services marketing adorent les appeler « LiPo » comme si c'était quelque chose de révolutionnaire. Ce n'est pas le cas.
