Batterie Lithium Voiture Électrique

Face à la hausse constante du prix du carburant, les véhicules électriques et hybrides attirent de plus en plus l’attention. Mais au-delà de l’économie d’usage, il est essentiel de comprendre le rôle central de leur batterie au lithium.

Pro Lithium vous propose de faire le point sur ces technologies, en abordant les avantages et les inconvénients de la motorisation électrique. Nous analyserons comment la batterie influence les performances, l’autonomie et les coûts à long terme, afin de vous aider à faire un choix éclairé pour l’achat de votre prochain véhicule.

Les performances d’une voiture électrique, telles que l’autonomie, l’accélération, et le poids du véhicule, dépendent directement des caractéristiques de sa batterie au lithium. Comprendre le type de batterie est donc essentiel pour saisir les avantages et les inconvénients de chaque modèle.

Type batterie	Densité Energetique	Densité de puissance	Stabilité	Tolérance températures	Durée de vie	Coût	Moyenne
(Composant)	Kwh/Kg	Kw/Kg	Fiablité / Sécurité	Résistance Temp / Hum	Années	Kw	Performance
LiCoO2 - Dioxyde de Cobalt de Lithium	8/10	4/10	4/10	6/10	4/10	6/10	5.33/10
NMC - Lithium Nickel Cobalt Manganèse	8/10	6/10	6/10	6/10	6/10	6/10	6.33/10
LFP - Lithium Fer Phosphate LifePo4	4/10	8/10	8/10	8/10	8/10	8/10	7.33/10
NCA - Lithium oxyde d\'Aluminium Nickel Cobalt	8/10	6/10	4/10	6/10	6/10	4/10	5.66/10
LMO - Lithium ion oxyde de manganèse	6/10	6/10	6/10	4/10	4/10	6/10	5.33/10
LTO - Titanate de Lithium Li4Ti2O12	4/10	6/10	8/10	8/10	8/10	2/10	6/10

Type batterie

Densité Energetique

Densité de puissance

Stabilité

Tolérance températures

Durée de vie

Coût

Moyenne

(Composant)

Kwh/Kg

Kw/Kg

Fiablité / Sécurité

Résistance Temp / Hum

Années

Performance

LiCoO2 - Dioxyde de Cobalt de Lithium

8/10

4/10

6/10

4/10

6/10

5.33/10

NMC - Lithium Nickel Cobalt Manganèse

8/10

6/10

6.33/10

LFP - Lithium Fer Phosphate LifePo4

4/10

8/10

7.33/10

NCA - Lithium oxyde d\'Aluminium Nickel Cobalt

8/10

6/10

4/10

6/10

4/10

5.66/10

LMO - Lithium ion oxyde de manganèse

6/10

4/10

6/10

5.33/10

LTO - Titanate de Lithium Li4Ti2O12

4/10

6/10

8/10

2/10

6/10

Type de batterie Lithium (Chimie)

Intéressons-nous maintenant aux principales technologies de batteries au lithium-ion sur le marché : NMC, LFP, LTO, NCA, LiCoO₂ et LMO.

Batterie Lithium-ion et Lithium les différences ?!

Lithium-ion / Li-ion

Il est courant de faire la confusion entre “batterie au lithium” et “batterie au lithium-ion”. Pourtant, il s’agit de deux technologies distinctes :

Batterie au lithium-ion (Li-ion) : C’est la technologie que l’on retrouve partout aujourd’hui, dans nos téléphones, ordinateurs portables et la grande majorité des véhicules électriques. Le mot “ion” est essentiel, car c’est un ion de lithium qui se déplace pour générer de l’énergie.

Lithium-ion et Lithium : quelle est la différence ?

Batterie au lithium-métal : Son anode est composée directement de lithium métallique pur. Ce métal agit comme l’électrode, et des ions de lithium ( $L i^{+}$ ) se déplacent entre les électrodes lors du fonctionnement.

Batterie au lithium-cobalt (LiCoO₂)

La batterie au lithium-cobalt (LiCoO₂), également connue sous les noms de LCO ou LICO, est l’une des premières technologies lithium-ion à avoir été commercialisée.

Elle se compose d’une cathode en oxyde de cobalt et de lithium et d’une anode en graphite, dont les couches superposées accueillent les ions de lithium. Bien que son coût de production soit relativement faible, elle est aujourd’hui moins utilisée dans les applications de haute performance en raison de sa durée de vie plus courte et de sa faible capacité de charge rapide.

C’est pourquoi elle est principalement employée dans les appareils pour lesquels son faible coût est un avantage, comme les téléphones portables et les ordinateurs portables.

Cellule chargée

Une fois la batterie chargée, les ions de lithium ont quitté la cathode. On retrouve alors du dioxyde de cobalt ( $C o O_{2}$ ) à la cathode (pôle positif) et du graphite de lithium ( $L i C_{6}$ ) à l’anode (pôle négatif).

Cellule déchargée

Cette cellule offre une durée de vie d’environ 800 cycles, avec une tension nominale de 3,6 V et une densité énergétique d’environ 200 Wh/kg.

Les batteries au lithium fer phosphate (LiFePO₄), couramment appelées LFP, sont une technologie lithium-ion qui gagne en popularité. Reconnues pour leur faible coût de production, elles sont de plus en plus utilisées dans les véhicules électriques par des constructeurs comme Tesla et BYD, mais aussi pour l’industrie et les systèmes de stockage d’énergie stationnaires.

Avantages

Sécurité et durabilité : Elles sont dotées d’une excellente stabilité thermique et ne contiennent ni cobalt, ni nickel, ce qui les rend plus sûres.
Longue durée de vie : Elles offrent une durée de vie exceptionnelle, avec plus de 5 000 cycles de charge et de décharge, ce qui les rend très durables.
Coût : Leur faible coût de fabrication en fait une solution plus économique.

Inconvénients

Densité énergétique : Leur densité énergétique est inférieure d’environ 15 % par rapport à d’autres chimies, les rendant plus lourdes et encombrantes pour une capacité équivalente.
Performance à basse température : Elles sont moins performantes lorsque les températures d’utilisation sont inférieures à 15 °C.

Cellule chargée

Une fois la batterie LFP (Lithium Fer Phosphate) chargée, la composition des deux électrodes est la suivante :

Pôle positif (cathode) : Il est composé de phosphate de fer ( $F e P O_{4}$ ), les ions de lithium ( $L i^{+}$ ) l’ayant quitté lors de la charge.
Pôle négatif (anode) : Il est composé de graphite de lithium ( $L i C_{6}$ ), le lithium s’étant inséré entre les couches de graphite.

Cellule déchargée

Les cellules LFP offrent une durée de vie remarquable de plus de 5 000 cycles de charge et décharge.

Elles ont une tension nominale de 3,2 V et une densité énergétique d’environ 100 à 110 Wh/kg.

De plus, elles résistent à des températures très élevées, leur stabilité thermique pouvant atteindre 250 °C.

Les batteries au lithium de type NMC (Nickel Manganèse Cobalt) sont les plus répandues sur le marché européen des véhicules électriques. Leur popularité s’explique par leurs performances et leur haute densité énergétique.

Composition et fonctionnement

La particularité de ces batteries réside dans la composition de leur cathode (l’électrode positive), qui est un mélange d’oxydes de Nickel, Manganèse et Cobalt. C’est de ce mélange que vient leur appellation NMC.

Ces batteries fonctionnent sur le principe du lithium-ion : lors de la décharge, des ions de lithium (Li+) voyagent de l’anode vers la cathode, générant ainsi un courant électrique.

Avantages et Inconvénients

Avantages : Les batteries NMC sont reconnues pour leur haute densité énergétique, ce qui leur permet de stocker une grande quantité d’énergie pour un poids et un volume réduits. Elles offrent également d’excellentes performances et une durée de vie supérieure à la moyenne.
Inconvénients : Elles sont plus sensibles aux températures élevées, ce qui peut les rendre moins stables. De plus, l’utilisation de cobalt et de nickel, dont l’extraction est coûteuse et soulève des questions éthiques, rend ces batteries plus chères.

Cellule chargée

Une fois la batterie NMC chargée, la composition des deux électrodes est la suivante :

Pôle positif (cathode) : Il est composé d’un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt, les ions de lithium ( $L i^{+}$ ) l’ayant quitté lors de la charge.
Pôle négatif (anode) : Il est composé de graphite de lithium ( $L i C_{6}$ ), le lithium s’étant inséré entre les couches de graphite.

Cellule déchargée

Les cellules NMC offrent une durée de vie de 1 500 à 2 000 cycles de charge et décharge. Elles ont une tension nominale de 3,6 V et une haute densité énergétique d’environ 200 Wh/kg.

Batteries au lithium-manganèse (LMO)

Les batteries au lithium-manganèse (LiMn₂O₄), plus connues sous l’acronyme LMO, sont une technologie lithium-ion reconnue pour sa sécurité et sa stabilité.

Composition : Elles se caractérisent par une cathode (pôle positif) en dioxyde de manganèse, et une anode (pôle négatif) en graphite.
Fonctionnement : Comme pour toutes les batteries lithium-ion, le fonctionnement repose sur le déplacement des ions de lithium à travers une membrane séparatrice qui empêche un court-circuit.

Caractéristiques principales

Stabilité thermique : Les batteries LMO sont très stables et moins sujettes à la surchauffe, ce qui en fait une option très sûre.
Décharge rapide : Elles sont capables de fournir des courants élevés, ce qui les rend idéales pour les applications nécessitant une forte puissance, comme l’outillage électrique ou les véhicules hybrides.
Inconvénients : Leur principal défaut est leur densité énergétique plus faible que celle des batteries NMC, ainsi qu’une durée de vie généralement plus courte.

Cellule chargée

Une fois la batterie au manganèse chargée, la composition des deux électrodes est la suivante :

Pôle positif (cathode) : Il est composé de dioxyde de manganèse ( $M n_{2} O_{4}$ ), les ions de lithium l’ayant quitté lors de la charge.
Pôle négatif (anode) : Il est composé de graphite de lithium ( $L i C_{6}$ ), le lithium s’étant inséré entre les couches de graphite.

Cellule déchargée

La batterie au lithium-manganèse ( $L i M n_{2} O_{4}$ ) a une durée de vie d’environ 600 cycles de charge et décharge. Sa tension nominale est de 3,6 V et sa densité énergétique se situe autour de 140 Wh/kg. De plus, elle se distingue par sa haute stabilité thermique, pouvant résister à des températures allant jusqu’à 250 °C.

Les batteries au lithium de type NCA (Nickel Cobalt Aluminium), dont la formule chimique est $L i N i C o A l O_{2}$ , sont une technologie haute performance, mais qui présente certains défis.

Avantages et Inconvénients

Avantages : Le principal atout des batteries NCA est leur très haute densité énergétique, supérieure à celle des autres chimies. Cela leur permet de stocker une grande quantité d’énergie pour un poids réduit, ce qui est idéal pour les véhicules électriques qui recherchent une autonomie maximale.
Inconvénients : Ces batteries sont plus chères en raison de leur composition et sont plus sensibles aux températures élevées. Elles nécessitent un système de gestion thermique performant pour garantir leur sécurité et optimiser leur durée de vie.

Cellule chargée

Une fois la batterie NCA chargée, la composition des deux électrodes est la suivante :

Pôle positif (cathode) : Il est composé d’un oxyde de nickel, de cobalt et d’aluminium, les ions de lithium ( $L i^{+}$ ) l’ayant quitté lors de la charge.
Pôle négatif (anode) : Il est composé de graphite de lithium ( $L i C_{6}$ ), le lithium s’étant inséré entre les couches de graphite.

Cellule déchargée

La batterie NCA offre une densité énergétique très élevée, atteignant jusqu’à 280 Wh/kg, pour une tension nominale de 3,6 V. Sa durée de vie est d’environ 500 cycles de charge et décharge. Cependant, sa sensibilité thermique nécessite une gestion prudente, car elle ne résiste pas à des températures supérieures à 150 °C.

Les batteries LTO (Lithium Titanate de Lithium)

La batterie LTO ( $L i_{4} T i_{5} O_{12}$ ) est une technologie unique qui se distingue par l’utilisation de titanate de lithium à la place du graphite pour son anode (électrode négative).

Avantages et Inconvénients

Sécurité renforcée : L’absence de graphite rend la batterie extrêmement sûre, car cela réduit considérablement les risques d’incendie ou d’explosion liés à la surchauffe.
Durée de vie et cycles : Les batteries LTO se démarquent par leur durée de vie exceptionnelle, capable de supporter plusieurs milliers de cycles de charge et de décharge.
Charge ultra-rapide : Leur conception permet des taux de charge et de décharge extrêmement élevés, ce qui les rend idéales pour les applications nécessitant une recharge en quelques minutes.
Inconvénients : Le principal point faible des batteries LTO est leur faible densité énergétique, ce qui les rend plus lourdes et plus volumineuses que d’autres batteries pour une capacité équivalente. Leur coût de production est également plus élevé.

Les batteries LTO (Titanate de Lithium) se distinguent par leur durée de vie exceptionnelle. Cette caractéristique s’explique par l’absence de formation d’une couche SEI (Solid Electrolyte Interphase) sur leur anode en titanate.

Dans les batteries lithium-ion classiques, une couche SEI se forme et s’épaissit sur l’anode en graphite au fil des cycles. Ce processus consomme progressivement du lithium, entraînant une réduction de la capacité et une dégradation de la batterie.

En revanche, l’anode des batteries LTO est stable et n’est pas sujette à ce phénomène, ce qui préserve la capacité de la batterie sur un très grand nombre de cycles.

Les batteries au lithium-ion peuvent être composées de différents matériaux, ce qui modifie leurs caractéristiques. L’utilisation de cathodes en NMC ou en LFP (MVO) en est un bon exemple, car ces chimies permettent de faire varier considérablement la densité énergétique, la durée de vie et la sécurité des cellules.

Les batteries LMP (Lithium Métal Polymère)

Les batteries au lithium métal polymère (LMP) se distinguent par l’utilisation d’un électrolyte polymère sous forme de gel ou de matériau solide, et non d’un électrolyte liquide.

Avantages : L’électrolyte polymère offre une meilleure résistance aux chocs et aux vibrations, ce qui les rend plus sûres dans certaines conditions.
Inconvénients : Cette technologie est cependant limitée par un nombre de cycles de charge et de décharge plus faible, environ 300 cycles. De plus, les batteries LMP nécessitent souvent d’opérer à des températures élevées pour fonctionner correctement.

L’un des principaux inconvénients des batteries LMP est leur température de fonctionnement élevée, qui doit être maintenue entre 60°C et 80°C pour garantir un fonctionnement et une durée de vie corrects.

Cette contrainte a représenté un défi majeur pour l’industrie automobile. C’est la raison pour laquelle cette technologie a été rapidement abandonnée par des projets tels que le service d’autopartage Autolib’, qui exigeait que les véhicules restent constamment branchés pour maintenir la température de leurs batteries.