Les nouvelles chimies pour le futur des batteries au lithium : la recherche Flash Battery

La chimie LTO (Lithium-Titanium-Oxyde) représente une avancée pour les applications nécessitant des performances élevées au niveau de la puissance et de la durée. Les batteries au lithium avec chimie LTO se distinguent par une puissance spécifique et un taux C plus élevés, des caractéristiques qui permettent d’obtenir une puissance supérieure à capacité égale et d’exécuter les processus de charge et de décharge de manière significativement plus rapide.

L’aspect le plus révolutionnaire de la technologie LTO est sa durée de vie extrêmement longue qui peut atteindre les 20 000 cycles. Pour comprendre la portée de cette valeur, il faut noter que dans des applications comme les véhicules électriques, qui effectuent en moyenne un cycle de recharge par jour, l’utilisation d’une batterie au lithium avec chimie LTO pourrait ne pas être adaptée, car la batterie aurait une durée de vie utile bien supérieure à celle du véhicule.

Un autre grand avantage de la chimie LTO est sa tolérance thermique : les cellules LTO fonctionnent correctement dans une fenêtre de température plus grande par rapport aux autres chimies, les rendant idéales pour une utilisation dans des contextes difficiles. À tout cela s’ajoute un niveau de sécurité intrinsèque extrêmement élevé, comme peuvent l’attester les essais abusifs montrés dans la vidéo suivante :

La chimie NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) est une technologie sur laquelle nous n’avons pas misé stratégiquement, car elle est beaucoup moins stable et sûre que la chimie LFP et donc moins adaptée au secteur des engins et des véhicules industriels.

En raison de sa densité énergétique élevée, nous avons choisi de l’utiliser exclusivement pour des applications avec d’importantes limitations d’espace et de poids et où la densité énergétique constitue une exigence critique. Atteignant les 240 Wh/kg, la chimie NMC possède en effet une énergie spécifique très élevée, une caractéristique qui lui permet d’emmagasiner de grandes quantités d’énergie dans un poids et un volume réduits.

Théoriquement, tous les engins et véhicules qui ont besoin d’une grande autonomie bénéficieraient de la densité énergétique accrue offerte par la chimie NMC. Mais, en raison de problèmes de sécurité plus fréquents, du prix plus élevé et de la présence de cobalt à l’intérieur (un matériau au fort impact environnemental), son usage est déconseillé si possible, au profit de la chimie LFP qui a vu, dans les dernières générations, sa densité énergétique augmenter considérablement, atteignant les 190 Wh/kg.

Chez Flash Battery, nous avons donc choisi d’utiliser la chimie NMC uniquement là où nous ne pouvons pas nous passer de ses caractéristiques spécifiques, et en limitant sa capacité. En effet, tandis que sur les batteries avec chimie LFP nous disposons de capacités allant jusqu’à 600 Ah pour chaque cellule, dans les applications où nous utilisons la chimie NMC, nous préférons réduire le risque en optant pour des cellules plus petites. Pour garantir la sécurité d’une batterie avec chimie NMC, il est important d’intégrer des solutions de sécurité extérieures qui rendent le système plus complexe et coûteux par rapport à un système avec chimie LFP, plus sûre et stable par nature.

Enfin, dans le secteur industriel, la chimie NMC n’est pas particulièrement conseillée en raison du nombre limité de cycles de vie. Une batterie avec chimie NMC offre en moyenne 2000 cycles de charge : en considérant que de nombreux engins industriels effectuent un cycle de charge par jour, cela signifierait une durée opérationnelle d’environ 5-6 ans, un laps de temps insuffisant pour la plupart des applications industrielles qui nécessitent des investissements à long terme.

En apparence, les batteries au sodium sont une alternative prometteuse pour l’avenir, grâce à la grande disponibilité de sodium dans la nature, à la durabilité des matériaux utilisés et au potentiel de sécurité élevée. Notre équipe R&D conduit une série d’essais approfondis pour évaluer leurs performances dans des contextes réels.

Les principaux avantages des batteries au sodium sont l’absence de cobalt, leur bonne tolérance thermique et leur coût réduit. Pourtant, la densité énergétique encore très basse limite leur adoption sur les véhicules et les engins industriels, les rendant plus adaptées à des applications stationnaires comme le stockage d’énergie.

L’un des problèmes techniques les plus compliqués concerne la forte variation de tension entre l’état de charge et de décharge. Pour le véhicule ou le système qui utilise ces batteries, il est nécessaire d’opérer avec des tensions très variées : cela entraîne une perte de puissance quand la batterie est presque totalement déchargée ou nécessite une électronique surdimensionnée pour fonctionner à pleine puissance dans toute la fenêtre opérationnelle.

Le problème de variation de tension est intrinsèque à la technologie : quand la tension diminue de moitié, maintenir la même puissance nécessite d’opérer avec un courant double.

Si l’arrivée des tant attendues batteries à l’état solide sur le marché semble encore lointaine, les batteries à l’état semi-solide sont une évolution technique prometteuse de la chimie LFP et de la chimie NMC. Dans ce type de cellules, l’électrolyte liquide est partiellement remplacé par un état solide ou gélifié qui devrait considérablement réduire les risques de combustion, augmentant ainsi le niveau de sécurité global.

Le service Recherche et Développement de Flash Battery teste depuis longtemps cette nouvelle technologie, car elle pourrait permettre d’améliorer la sécurité des batteries, même si cette amélioration doit encore être entièrement prouvée.

Pour le moment, l’objectif est de mener des essais spécifiques pour évaluer comment se comporteraient les cellules à l’état semi-solide dans des conditions opérationnelles réelles, afin de vérifier si les avantages théoriques peuvent se traduire en avantages pratiques pour les applications industrielles.

La chimie LMFP (Lithium-Manganèse-Fer-Phosphate) peut être considérée comme une véritable évolution de la chimie LFP. 

En effet, le fer est partiellement remplacé par le manganèse qui peut augmenter potentiellement la tension de la cellule et donc sa densité énergétique jusqu’à 20 % par rapport aux batteries avec chimie LFP, tout en conservant des caractéristiques similaires au niveau de la sécurité et des cycles de vie.

Les études les plus récentes menées dans le domaine de la chimie LMFP montrent des résultats très prometteurs : en effet, les cellules LMFP pourraient avoir le potentiel pour combler l’écart entre la chimie LFP et la chimie NMC, tout en offrant dans le même temps d’excellentes performances et une sécurité élevée. Les essais que nous effectuons en laboratoire ont pour objectif de vérifier leur efficacité dans un contexte industriel afin de comprendre si cette évolution peut vraiment représenter la prochaine étape naturelle dans l’amélioration des performances des batteries au lithium, sans devoir faire de compromis sur la sécurité et la durée.

Si les résultats des essais confirment nos attentes, nous pourrions bientôt avoir une chimie en mesure de conjuguer les avantages structurels de la chimie LFP avec une densité énergétique supérieure, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités conceptuelles pour l’électrification de secteurs qui aujourd’hui encore doivent faire des compromis.