le blog À propos Des données sur une décennie révèlent des failles dans les modèles de vieillissement des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion modernes, les centrales électriques des véhicules électriques et des systèmes de stockage sur réseau, sont confrontées à un adversaire invisible pendant leurs durées de vie principalement inactives. Bien que ces batteries passent environ 90 % de leur existence en stockage, comme dans les véhicules électriques garés, elles continuent de se dégrader par un processus appelé vieillissement calendaire, où des réactions parasites réduisent progressivement la capacité et augmentent la résistance.

Comprendre le vieillissement calendaire présente un défi temporel unique : la collecte de données de dégradation significatives à température ambiante nécessite des années. Les scientifiques contournent généralement ce problème en collectant des données à des températures extrêmes sur des périodes plus courtes, puis en extrapolant à l'aide de modèles de vieillissement accéléré. Ces modèles reposent traditionnellement sur deux principes fondamentaux : le t ^0.5 dépendance temporelle (reflétant la croissance limitée par la diffusion de la couche d'interface électrolyte solide) et la dépendance à la température de type Arrhenius.

Bien que de nombreuses études aient initialement soutenu ces modèles traditionnels pour diverses chimies de batteries, y compris les anodes en graphite associées aux cathodes nickel-manganèse-cobalt (NMC) ou phosphate de fer et de lithium (LFP), les recherches émergentes révèlent des écarts significatifs. Certaines batteries présentent des dépendances temporelles de type loi de puissance alternatives (t ^b ), tandis que d'autres maintiennent un comportement de température d'Arrhenius mais abandonnent la relation t ^0.5 . Ces divergences suggèrent des mécanismes de dégradation plus complexes en jeu, impliquant potentiellement la croissance de l'interface électrolyte de la cathode, la dissolution des métaux de transition ou la corrosion du collecteur de courant en cuivre.

La plupart des études sur le vieillissement calendaire s'étendent sur des mois à cinq ans, mais les batteries du monde réel nécessitent des performances sur une décennie. De récentes études de longue durée révèlent des informations critiques :

• Les effets de surplomb passifs de l'anode diminuent après un an, laissant place à des tendances de vieillissement linéaires
• Les exposants de la loi de puissance changent considérablement au fil du temps, de manière similaire aux « points de coude » observés dans le vieillissement cyclique
• Les déviations d'Arrhenius n'apparaissent que sur des échelles de temps plus longues

Ces résultats suggèrent que les modèles validés avec des données à court terme peuvent représenter de manière significative la dégradation à long terme.

Une étude révolutionnaire analysant 232 batteries de huit types, quatre chimies et cinq fabricants sur 13 ans révèle plusieurs conclusions qui changent de paradigme :

• La dépendance à la température varie de manière inattendue : Des déviations d'Arrhenius significatives se produisent même parmi des batteries similaires du même fabricant, ce qui peut entraîner des années d'erreur de prédiction pour le vieillissement à température ambiante.
• La dépendance temporelle évolue : La relation idéalisée t ^0.5 laisse place à des valeurs moins auto-passivantes, avec une variation substantielle selon les chimies.
• Voies de dégradation divergentes : La capacité et la perte de puissance suivent des trajectoires distinctes et non corrélées.
• L'individualité compte : La variation d'une cellule à l'autre représente des différences de dégradation substantielles, soulignant la nécessité d'une analyse d'une seule cellule en parallèle avec les tendances de la population.

Ces résultats nécessitent une réévaluation fondamentale des modèles de vieillissement des batteries et des stratégies de gestion. Les futures orientations de la recherche devraient donner la priorité à :

• Développer des modèles de vieillissement de nouvelle génération intégrant de multiples mécanismes de dégradation et l'apprentissage automatique
• Optimiser les systèmes de gestion de batterie en fonction d'une compréhension affinée du vieillissement calendaire
• Améliorer la cohérence de la fabrication pour réduire la variation d'une cellule à l'autre
• Explorer de nouveaux matériaux et conceptions avec une longévité accrue

Alors que le monde effectue la transition vers l'électrification et le stockage d'énergie renouvelable, la prédiction et l'atténuation précises du vieillissement des batteries deviennent de plus en plus cruciales. Cette recherche fournit les bases pour développer des solutions de stockage d'énergie plus durables et fiables afin d'alimenter notre avenir durable.