Une batterie pleine est-elle plus lourde qu’une batterie vide ?

Batterie pleine ou batterie vide, laquelle est la plus lourde ? Cette question peut paraître incongrue. Et pourtant pour un réservoir de carburant, la réponse est évidente. Mais pour une batterie de voiture électrique ? La charge modifie-t-elle son poids ?

Pour pouvoir répondre à la question, on pourrait commencer par rappeler qu’un électron a une masse de 9,1 10-31 kg. Il est donc très léger pris unitairement. Toutefois, il y a des millions d’électrons dans une batterie pour créer des courants de 400 ou 800 volts. Il est simple de faire le calcul.

Prenons une batterie de 50 kWh qui est donc chargée de 0 à 100 % avec une tension finale de 400 V. Quelle est la masse des électrons ainsi transférés ? Il faut exprimer les kWh de la batterie lithium-ion en Joules. 50 kWh=50×103×3600 =1,8×108 J. Or, cette énergie c’est également la charge Q, en Coulombs (C), multipliée par la tension finale de la batterie, en Volt (V). On en déduit donc que Q sur cette batterie vaut 4,5×105 C.

Sachant qu’un électron a une charge élémentaire de 1.602×10−19 C, on en déduit qu’il y a environ 2,81×1024 électrons échangés. Cela représente alors une masse de 2,56 mg.

Maintenant, imaginons une balance théorique ultra-précise et que la charge ne change en rien tout le reste de la voiture électrique. Est-ce que l’on constaterait ces 2,56 mg de différence entre la voiture avec batterie à plat et la voiture batterie chargée à 100 % ?

Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?

Eh bien…Non ! En effet, s’il y a bien un mouvement d’électrons lors de la charge de la batterie, ils ne sont pas ajoutés à la batterie. Il y a un échange d’électrons entre l’anode et la cathode ! En clair, si un électron part de l’anode pendant la charge, il est compensé par un électron qui arrive à la cathode. L’opération inverse a lieu lors de la décharge de la batterie (son utilisation).

Pour rappel, dans une batterie li-ion, lors de son utilisation (décharge donc), un atome de lithium métal, positionné à l’anode (électrode négative) relâche un électron. Il devient alors un ion positif Li+. L’électron part dans le circuit électrique alimenté (moteur, etc.) et arrive à la cathode (l’électrode positive). Pendant ce temps, les ions Li+ ont migré à travers l’électrolyte de la batterie (liquide, gel, solide, etc.). Arrivés à la cathode, ils se fixent grâce à sa structure cristalline. Les éléments fortement ionisés qui composent la cathode (métaux de transition) absorbent alors les électrons. Le déplacement des électrons crée le courant.

Un changement dans la répartition des masses

Lors de la charge de la pile, on la soumet à un courant qui va alors arracher les électrons de la cathode (aux fameux métaux de transition). Les électrons migrent alors par le circuit extérieur de charge vers l’anode. Ce mouvement provoque la migration des ions Li+ de la cathode vers l’anode. Là, ils se lient avec un électron pour redevenir du lithium métal.

Ainsi, le total des électrons contenus dans une batterie reste le même (approximation de chimiste et de physicien) que la batterie soit pleinement chargée, en partie seulement, ou totalement déchargée. Batterie pleine ou batterie déchargée, même masse sur notre balance hypothétique. Dans le cas très hypothétique d’une énorme pile, on pourrait constater une variation de la répartition des masses puisque les ions Li+ passent d’un côté à l’autre. Toutefois, nos batteries sont composées de dizaines de petites batteries unitaires ce qui limite la « bascule de masse » quelques millimètres. Le principe exposé ci-dessus est aussi valable avec d’autres types de piles / batteries.

Pourquoi une batterie li-ion se dégrade-t-elle avec son utilisation ?

Lorsque l’on utilise une batterie, elle perd plus ou moins rapidement de sa capacité à stocker l’énergie (les fameux kWh). En fait, cette perte est due à plusieurs phénomènes. Le principal, c’est la formation d’une couche SEI (Solid Electrolyte Interphase). Lors des premiers cycles, cette couche (de lithium métal pour une li-ion) va se créer sur l’anode. C’est un fonctionnement normal qui permet de stabiliser la batterie. Cette première couche va alors provoquer une perte rapide de capacité, qui doit ensuite rester « la même ».

Mais, il arrive que la couche continue de se déposer et c’est là que les ennuis commencent. Il y a moins d’ions Li+ et donc moins d’énergie qui se déplace. De plus, cela va augmenter la résistance interne et donc diminuer les performances. Pire, cela peut créer des dendrites, sortes de racines de métal, qui peuvent provoquer des courts-circuits et endommager la batterie. Une charge rapide va favoriser ces dépôts.

C’est pour cela que les constructeurs limitent la puissance de charge admissible. En fonction de la chimie de la batterie, cette puissance pourra être plus ou moins grande. On peut également avoir une dégradation des électrodes. L’anode peut se fissurer et la structure cristalline de la cathode, qui permet de stocker les ion lithium, peut perdre en capacité d’intercalation. Certaines batteries supportent mal, et cela peut sembler paradoxal, d’être chargées à 100 %. La batterie pleine peut se dégrader plus rapidement.

Outre une puissance de charge trop importante qui crée des dépôts de lithium métal, une trop grande température peut provoquer des réactions parasites (oxydation, réduction indésirable, dégradation de l’électrolyte etc.). On peut même avoir un emballement thermique incontrôlé. C’est pourquoi la gestion de la température de la batterie est devenue cruciale désormais et que les véhicules avec refroidissement par air de leur batterie de traction sont rares, et peu performants.

(3 commentaires)

  1. Je crois qu’il y a bien une perte de masse, mais très faible, et surtout lié à l’équation E=mc². Mais a ce niveau, même une poussière pèse plus lourd.

    1. Oui, enfin… Avec des « si »
      S’il avait une quantité astronomique de points de recharges rapides pour les VE… Pas cher, fiable, etc.
      Une autonomie relativement faible suffirait dans 90 % des cas sans avoir la psychose de la panne sèche !
      Les gens achètent plus facilement, actuellement, des VE citadines de 400 km d’autonomie pour ne faire JAMAIS plus 100 km… Mais ça rassure !
      Mais nous n’avons pas assez de bornes en France…
      Nous ne sommes pas à l’abri d’un exode non prévu… Enfin dans les têtes.
      Donc nous privilégierons de VE avec des batteries surdimensionnées, donc immensément lourde et très cher.
      Ma trottinette a une batterie juste pour faire un aller tranquille au travail… Je recharge à chaque fois… Et elle pèse 13 kg pour 15 km !
      Pourquoi prendre une de 60 km d’autonomie !??

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