À l'ère actuelle de développement vigoureux de l'industrie des véhicules à énergies nouvelles, les batteries lithium-ion, en tant que source d'énergie principale, sont confrontées au défi crucial consistant à équilibrer l'efficacité de charge et la durée de vie. Avec la demande croissante des consommateurs pour des autonomies plus longues et des vitesses de charge plus rapides, ainsi que l'accent mis par le marché sur la durée de vie des batteries et la rentabilité-, la technologie de charge des batteries lithium-ion connaît une profonde révolution. Comment garantir une charge à haute efficacité-tout en prolongeant la durée de vie de la batterie est devenu un problème urgent que l'industrie doit résoudre.
I. Technologie de charge rapide : la force motrice de l’amélioration de l’efficacité
Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans la technologie de charge rapide des batteries lithium-ion. Prenons CATL comme exemple. Sa batterie à charge ultra-rapide "Shenxing" a atteint une vitesse de charge ultra-rapide de "10-minutes de charge pour une autonomie de 400-kilomètres". Même dans des environnements froids à -10 degrés, il peut charger jusqu'à 80 % de sa capacité en 30 minutes. En avril 2024, CATL a lancé la batterie Shenxing PLUS, améliorant encore l'autonomie à 1 000 kilomètres tout en conservant la caractéristique de charge ultra-rapide consistant à charger à 60 % de la capacité en 10 minutes. De plus, CATL et SAIC-GM ont collaboré pour introduire une batterie au lithium fer phosphate à charge ultra-rapide 6C, qui devrait être utilisée dans l'architecture de batterie haute tension Ultium quasi-900 V améliorée en 2025. Cette batterie peut être complètement chargée en 10 minutes, ajoutant 200 kilomètres d'autonomie en 5 minutes.
L'équipe de recherche dirigée par le professeur Chao-Yang Wang de l'Université d'État de Pennsylvanie a également réalisé des résultats remarquables. Ils ont découvert que si une batterie peut être chauffée rapidement jusqu'à 60 degrés avant d'être chargée, chargée à un rythme rapide pendant 10 minutes, puis refroidie rapidement à la température ambiante, la dégradation thermique de la batterie peut être évitée et une croissance importante du film d'interphase d'électrolyte solide (SEI) peut être évitée. Après des tests répétés, l'équipe a effectué des tests de charge isotherme sur trois types de batteries électriques à 40 degrés, 49 degrés et 60 degrés, en utilisant une charge à 20 degrés comme contrôle. Par la suite, les batteries ont été démontées pour vérifier le placage au lithium. Les résultats ont montré qu'après 2 500 cycles de charge extrêmement rapide (6 C, 4,2 V) à 60 degrés pendant 10 minutes, la batterie à haute densité d'énergie-d'énergie-d'une capacité de 209 Wh/kg conservait toujours 91,7 % de sa capacité, avec seulement 8,3 % de perte de capacité. Cela a largement dépassé l'objectif de « 500 cycles, 20 % de perte de capacité » fixé par le Département américain de l'énergie (DOE), et aucun placage de lithium n'a été observé pendant le processus de charge.
Des marques telles que XPENG et NIO ont également réalisé des percées dans le domaine de la recharge ultra-rapide. XPENG a lancé sa pile de recharge ultra-rapide S4, avec une puissance de sortie maximale de 480 kW et un courant de sortie maximal de 670 A. Ce système peut fournir une autonomie de 200- kilomètres pour une voiture dans les 5 minutes suivant la charge. Selon le communiqué officiel, le modèle 4C peut charger de 10 % à 80 % en moins de 15 minutes, ce qui est considéré comme la vitesse de recharge de véhicule électrique produite en série la plus rapide au monde. Le modèle 3C est également équipé d'une plateforme haute tension de 800 V, avec une puissance de charge maximale d'environ 300 kW. Il peut ajouter 130 kilomètres d’autonomie en 5 minutes de charge et charger de 10 % à 80 % en 20 minutes.
II. L'impact de la charge rapide sur la durée de vie de la batterie
Bien que la technologie de charge rapide améliore considérablement l’efficacité de la charge, son impact sur la durée de vie de la batterie ne peut être ignoré. Lors d'une charge rapide, un courant important incite les ions lithium à s'intégrer rapidement dans l'anode. Si le contrôle de la température est inadéquat, le lithium métallique peut se déposer sur la surface de l'anode, formant des dendrites susceptibles de percer le séparateur, entraînant des courts-circuits internes et accélérant la dégradation des performances de la batterie. De plus, la chaleur générée lors d'une charge rapide, si elle n'est pas dissipée à temps, peut accélérer la décomposition de l'électrolyte et le vieillissement des matériaux des électrodes, raccourcissant ainsi la durée de vie de la batterie.
Une enquête a montré que pour les conducteurs-de véhicules électriques purs dont le kilométrage quotidien moyen dépasse 100 km, la proportion d'utilisation de la recharge ultra-rapide dépassait 70 %. Le degré de santé de leurs-batteries embarquées est passé de 100 % pour les voitures neuves à 85 % en deux ans, avec une baisse annuelle moyenne de 7,5 %. Cependant, les dernières recherches menées par l'équipe du professeur Ouyang Minggao de l'Université Tsinghua ont révélé que l'utilisation fréquente d'une charge ultra-rapide supérieure à 120 kW peut réduire la durée de vie de la batterie de 40 % par rapport à une charge lente.
Néanmoins, certaines études indiquent que l’impact de la recharge rapide sur la durée de vie des batteries n’est pas absolu. Une étude de suivi menée par Recurring Automatic sur des dizaines de milliers de Tesla a révélé que la différence de durée de vie de la batterie entre une charge rapide et une charge lente est en réalité négligeable. Même pour les véhicules commerciaux-qui sont chargés rapidement-une à deux fois par jour, leurs cycles de remplacement de batterie sont similaires à ceux des voitures privées. Cela est principalement dû aux systèmes efficaces de contrôle de la température qui atténuent efficacement les impacts négatifs de la charge rapide.
III. Stratégies techniques pour équilibrer efficacité et durée de vie
Pour trouver un équilibre entre l’efficacité de la charge rapide et la durée de vie de la batterie, l’industrie et les entreprises ont adopté une série de stratégies techniques.
En termes d'innovation matérielle, la technologie de charge ultra-rapide de CATL utilise une technologie de cathode à réseau électronique ultra-et une technologie d'anode à anneau ionique rapide en graphite-de deuxième génération, améliorant encore l'efficacité de la réaction électrochimique et l'efficacité de la charge. Le réseau ultra-électronique, avec sa surface matérielle entièrement nanométrique, construit un réseau électronique bien-connecté, améliorant considérablement la vitesse de réponse du matériau cathodique aux signaux de charge et le taux de désorption des ions lithium. La couche de revêtement poreuse modifiée par l'anneau ionique rapide sur la surface du matériau de l'anode fournit de nombreux sites actifs pour l'échange d'ions lithium, augmentant considérablement la vitesse d'échange de charge des ions lithium et le taux d'intégration.
Dans la conception de la structure de la batterie, l'équipe du professeur Chao-Yang Wang a développé une batterie "tous-climatiques". Ils ont inséré une feuille de nickel de 50-micromètres-d'épaisseur à l'intérieur de la batterie, qui peut efficacement s'auto-chauffer-. Lorsque le courant est activé à basse température, il traverse la feuille de nickel, générant de la chaleur. Une fois que la température interne de la batterie dépasse 60 degrés, le capteur de température se déclenche pour couper le courant circulant à travers la feuille de nickel. Cette batterie peut s'auto-chauffer jusqu'à 60 degrés en 30 secondes sans compromettre ses performances et sa durée de vie à des températures normales. Ce processus ne nécessite pas l'assistance d'équipements de chauffage externes ni l'ajout d'additifs spéciaux à l'électrolyte.
En ce qui concerne les systèmes de gestion thermique des batteries (BMS), certains constructeurs automobiles ont introduit un "mode de protection de charge ultra-rapide". Lorsque la charge de la batterie est inférieure à 20 %, la puissance de charge est limitée à 60 kW pour éviter certains problèmes d'endommagement de la batterie. D'autres adoptent la technologie de préchauffage de la batterie-, qui améliore l'efficacité de la charge rapide de 35 % dans des environnements à -10 degrés tout en réduisant le taux de dégradation de la batterie de 30 %.
IV. Stratégies d'utilisation des utilisateurs et perspectives de l'industrie
Pour les utilisateurs, une utilisation raisonnable de la charge rapide est cruciale pour prolonger la durée de vie de la batterie. Le professeur Qilu, directeur du Laboratoire des matériaux et technologies énergétiques nouvelles de l'Université de Pékin, a déclaré que les propriétaires de voitures devraient limiter la proportion d'utilisation de la recharge ultra-à 40 %. Lorsque le temps le permet, une charge lente doit être utilisée autant que possible. En particulier, la charge ultra-rapide doit être évitée lorsque la charge de la batterie est inférieure à 10 % ou supérieure à 90 %, car l'utilisation d'une charge ultra-rapide dans cette plage peut endommager davantage la batterie.
D'un point de vue industriel, grâce à l'innovation du modèle commercial, comme l'adoption d'un modèle de location de batteries, les constructeurs automobiles peuvent passer de la « vente de produits » à la « vente de services ». Le modèle de séparation des batteries des véhicules-peut réduire la sensibilité des utilisateurs aux garanties des batteries tout en incitant les entreprises à améliorer la maturité des technologies de charge rapide.
À l'avenir, grâce aux progrès technologiques continus, l'équilibre entre l'efficacité de la charge rapide et la durée de vie des batteries lithium-ion sera encore optimisé. L'émergence de nouveaux matériaux et technologies, tels que les anodes à base de silicium-et les batteries à semi-conducteurs-, devrait résoudre fondamentalement les problèmes de durée de vie causés par la charge rapide. Dans le même temps, l'amélioration continue des systèmes intelligents de contrôle de la température, de l'ajustement dynamique de la puissance et d'autres technologies apporteront un soutien plus important à la révolution technologique de charge des batteries lithium-ion.
Dans cette révolution technologique de charge, les batteries lithium-ion évoluent progressivement vers un équilibre parfait entre efficacité et durée de vie. L'industrie et les entreprises doivent innover en permanence, et les utilisateurs doivent également les utiliser de manière raisonnable pour promouvoir conjointement le développement durable de l'industrie des véhicules à énergies nouvelles.
