FR2997504A3 - Procede de gestion de la capacite d'une batterie au lithium - Google Patents

Procede de gestion de la capacite d'une batterie au lithium Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de gestion de la capacité d'une batterie au lithium composée d'au moins une cellule électrochimique lithium-ion comprenant une électrode positive, une électrode négative, un électrolyte aprotique et au moins une source de lithium, comprenant : générer un signal de commande du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à une électrode à régénérer de ladite au moins une cellule électrochimique en fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium, transmettre le signal de commande vers des moyens de raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à l'électrode à régénérer afin de régénérer cette dernière.

Description

PROCEDE DE GESTION DE LA CAPACITE D'UNE BATTERIE AU LITHIUM L'invention concerne le domaine des batteries au lithium. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de gestion de la capacité d'une batterie au lithium. De manière générale, les accumulateurs ou batteries sont formés d'au moins une cellule électrochimique de stockage d'énergie électrique, chaque cellule comprenant une électrode positive, une électrode négative et un système électrolylitique reliant ces électrodes. Plusieurs cellules électrochimiques, par exemple de quatre à vingt cellules, peuvent être regroupées en un module et une batterie peut comporter un ou plusieurs modules. Ainsi, une batterie, notamment pour alimenter un véhicule électrique, peut comprendre près de 200 cellules et peser entre 150 et 300 kilogrammes. Il existe deux sortes principales d'accumulateurs au lithium. La première sorte est l'accumulateur dit « lithium métal », où l'électrode négative est composée de lithium métallique. La deuxième sorte est l'accumulateur dit « lithium-ion », où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative, généralement en graphite, qu'à l'électrode positive, pouvant être en dioxyde de cobalt, dioxyde de manganèse ou en phosphate de fer. Les accumulateurs dits « lithium polymère » sont une alternative aux accumulateurs lithium-ion. D'autres batteries au lithium sont de type « lithium-air » et « lithium-soufre ». Contrairement aux autres accumulateurs, les accumulateurs lithium-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur lithium ion. Ceci explique la profusion de variantes existantes, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales à propos de cet accumulateur, les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique, etc.) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance. Les batteries lithium- ion présentent les principaux avantages d'une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le Ni-MH par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant, le coût reste important et a longtemps cantonné le lithium aux systèmes de petite taille. Aujourd'hui, les batteries au lithium-ion ont encore des densités d'énergie limitées, chaque cellule composant la batterie ayant par exemple une densité d'énergie de 160 Wh/kg. Afin d'augmenter ces valeurs, de nombreux travaux sont menés et devraient porter vers des valeurs de 200 Wh/kg dans les prochaines années et de 300 Wh/kg vers 2020. Cependant, ces améliorations n'empêchent pas la perte de capacité au cours de la vie de la batterie, ayant pour conséquence une utilisation limitée au fur et à mesure du vieillissement de la cellule. Cette perte de capacité peut en particulier être due à une consommation du lithium présent dans le système électrochimique formant chaque cellule lors du vieillissement de la batterie. Le document JP2012028044 propose de placer une réserve de lithium telle que LiFePO4 au sein des cellules de la batterie, en contact avec l'enveloppe des cellules, cette enveloppe jouant le rôle de collecteur de courant. Cette réserve en lithium est utilisée pour recharger en lithium l'électrode positive du système par mise en court circuit avec celle-ci. Cette mise en court circuit est toutefois manuelle, ce qui ne permet pas de contrôler la quantité de lithium transférée à l'électrode positive. Ceci peut être problématique sachant qu'un excès de lithium peut résulter en une dégradation de l'électrode positive. En outre, du fait de la mise en court circuit de la réserve de lithium et de l'électrode positive, un transfert de lithium ne peut se produire que si le matériau utilisé comme réserve de lithium présente un potentiel électrochimique inférieur à celui du matériau constituant l'électrode positive. Les matériaux utilisables sont donc limités. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de gestion de la capacité d'une batterie au lithium qui permette un contrôle de la quantité de lithium insérée dans une électrode. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un procédé de gestion de la capacité d'une batterie au lithium composée d'au moins une cellule électrochimique lithium-ion comprenant une électrode positive en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié, une électrode négative et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium, ladite batterie au lithium comportant en outre au moins une source de lithium associée à ladite au moins une cellule électrochimique, ladite source de lithium étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique, ledit procédé comprenant : générer un signal de commande du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à une électrode à régénérer de ladite au moins une cellule électrochimique en fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium, et transmettre le signal de commande vers des moyens de raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à l'électrode à régénérer afin de régénérer cette dernière. L'invention n'est pas limitée par la forme du signal de commande. Ce dernier peut être un signal booléen, un signal dont la valeur va appliquer une tension et/ou un courant, d'une valeur déterminée et/ou pendant un temps déterminé, au circuit comprenant ladite au moins une source de lithium et ladite électrode à régénérer raccordée électriquement à ladite source de lithium, ou encore un signal dont la valeur représente la durée de raccordement de ladite au moins une source de lithium à ladite électrode à régénérer, ou tout autre signal adapté. Ce signal de commande peut être transmis ponctuellement pour commander la régénération de l'électrode. Le signal de commande peut également être transmis pendant toute la durée de la régénération de l'électrode.
L'invention n'est pas non plus limitée par la nature du signal. Il peut par exemple s'agir d'un signal électrique, numérique ou analogique, d'un signal électromagnétqiue porté par une onde électromagnétique, ou autre. La quantité Qn nominale de lithium est par exemple une quantité de lithium de l'électrode avant une première utilisation, cette quantité Qn pouvant être déterminée par le calcul ou une mesure, ou fournie par le fabriquant de l'électrode. Il peut également s'agir d'une quantité optimale de lithium, également déterminée par calcul ou mesure, ou fournie par le fabriquant. Le procédé de gestion selon l'invention permet ainsi de régénérer une électrode d'une cellule électrochimique par réinsertion ou désinsertion de lithium dans cette électrode selon la quantité de lithium insérée dans l'électrode. Une électrode à régénérer peut présenter un défaut de lithium suite par exemple à une consommation du lithium lors du vieillissement de la cellule électrochimique. La réinsertion permet alors de remédier à ce défaut de lithium. A contrario, une électrode à régénérer peut présenter un excès de lithium, par exemple suite à une réinsertion trop importante de lithium, éventuellement due à une estimation erronée de l'état de la cellule électrochimique. Afin d'éviter un dépôt de lithium métallique à la surface de l'électrode dû à un tel excès en lithium, il est alors préférable d'extraire (de désinsérer) du lithium de l'électrode à régénérer. Cela peut être le cas d'une électrode négative d'une cellule électrochimique. En outre, le contrôle de la quantité de lithium réinsérée ou dé insérée dans l'électrode régénérée permet d'éviter une dégradation de cette électrode. Il est ainsi possible de contrôler les conditions de régénération de l'électrode et d'optimiser ainsi le processus de régénération. Cette régénération pourra concerner une ou plusieurs cellules électrochimiques de la batterie. Avantageusement et de manière non limitative, la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer peut être estimée en fonction d'au moins une valeur d'un paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par). La valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par), associée à une cellule électrochimique (SOH par i) ou à une batterie (SOH par), peut être estimée à partir d'au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRVi) d'au moins une cellule ou à partir d'au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRV) de la batterie. Certaines propriétés d'une cellule électrochimique évoluent effectivement dans le temps et reflètent le vieillissement de cette cellule. Il en est de même pour une batterie formée d'une ou plusieurs cellules électrochimiques. On peut ainsi estimer une valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) qui représente un degré de vieillissement ou un état de santé de la cellule électrochimique ou de la batterie. Cette valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) peut correspondre à un Etat de Santé de la batterie (SOH ou « State of Health » en anglais), par exemple estimé par la méthode décrite dans le document US 7 615 967. Cette valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) peut également être estimée à partir de tout paramètre dont la valeur va varier au cours de la vie de la cellule électrochimique ou de la batterie.
Ce paramètre représentatif peut être choisi parmi la conductance, l'impédance, la capacité, la résistance interne, l'autodécharge, l'efficacité de charge (« charge acceptance » en anglais), de chaque cellule électrochimique, ou de l'ensemble des cellules électrochimiques de la batterie.
Toutefois, l'invention n'est en rien limitée par la manière dont l'estimation de la valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) est effectuée. Avantageusement et de manière non limitative, la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer peut être estimée en fonction d'au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRVi) d'au moins une cellule ou à partir d'au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRV) de la batterie, par exemple du type décrit ci-dessus. Avantageusement et de manière non limitative, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre, préalablement à l'étape de génération d'un signal de commande : (i) recevoir au moins une valeur de paramètre (PRVi) représentatif du vieillissement d'au moins une cellule électrochimique et/ou au moins une valeur de paramètre (PRV) représentatif du vieillissement de ladite batterie, (ii) optionnellement, estimer au moins une valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) à partir de ladite au moins une valeur de paramètre représentatif du vieillissement (PRVi ; PRV) reçue. Au cours du procédé, on peut prévoir de générer le signal de commande du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à ladite au moins une électrode d'au moins une cellule électrochimique lorsque la valeur du paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) estimée atteint une valeur seuil prédéterminée pour une cellule électrochimique (SOH par seuil i) ou pour la batterie (SOH par seuil). Cette valeur seuil (SOH par seuil i) associée à une cellule électrochimique peut être un pourcentage d'une valeur du paramètre d'usure (SOH par neuve i) d'une cellule électrochimique non encore utilisée, autrement dit une cellule électrochimique n'ayant pas encore subi de vieillissement ou d'usure. De manière correspondante, la valeur seuil (SOH par seuil) associée à une batterie peut être un pourcentage d'une valeur du paramètre d'usure (SOH par neuve) d'une batterie non encore utilisée, autrement dit une batterie n'ayant pas encore subi de vieillissement ou d'usure. A titre d'exemple, la valeur seuil (SOH par seuil, respectivement SOH par seuil i) peut présenter une valeur comprise de 90 à 99,9% de la valeur de (SOH par neuve, respectivement SOH par neuve i), de préférence comprise de 95 à 99% de (SOH par neuve ; respectivement SOH par neuve i). En variante ou en combinaison, le signal de commande peut être généré de manière similaire lorsqu'au moins une valeur de paramètre représentatif du vieillissement (PRVi ; PRV) atteint une valeur seuil, ou lorsque la valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer atteint une valeur seuil. Avantageusement et de manière non limitative, le signal de commande est élaboré de manière à transférer une quantité de lithium Qt telle que, à la fin de la régénération de l'électrode, la quantité finale de lithium Qf présent dans l'électrode à régénérer est inférieure ou égale à la quantité de lithium nominale Qn de ladite électrode. Notamment, lorsque la quantité de lithium d'une cellule électrochimique est égale à la quantité Qn nominale de lithium, la valeur du paramètre d'usure de cette cellule électrochimique peut alors correspondre à la valeur (SOH par neuve i) définie plus haut.
La quantité courante Qi de lithium présent (inséré) dans ladite électrode à régénérer peut être supérieure ou inférieure à la quantité de lithium nominale Qn. Avantageusement, la quantité de lithium transférée, Qt, peut être telle que la quantité de lithium finale Qf à la fin de la régénération de ladite électrode est inférieure à la quantité de lithium nominale Qn de cette électrode. Ceci peut permettre d'éviter la présence d'un excès de lithium dans l'électrode à régénérer.
Avantageusement et de manière non limitative, le signal de commande peut être élaboré en fonction d'une tension appliquée ou mesurée et/ou en fonction d'un courant appliqué ou mesuré, ladite tension et ledit courant circulant dans le circuit comprenant ladite au moins une source de lithium et ladite électrode à régénérer raccordée électriquement à ladite source de lithium. Autrement dit, la quantité de lithium transférée, Qt, peut être contrôlée en fonction de la tension et/ou du courant circulant dans le circuit comprenant ladite au moins une source de lithium et ladite électrode à régénérer raccordée électriquement à ladite source de lithium. Un contrôle du courant seul ou un contrôle de la tension seule est suffisant à cet effet, mais le contrôle du courant et de la tension permet d'améliorer le contrôle. La source de lithium peut notamment comporter un potentiel électrochimique supérieur ou inférieur au potentiel électrochimique de l'électrode à laquelle elle est reliée. Lorsque le potentiel électrochimique de la source de lithium est inférieur à celui de l'électrode à régénérer, le transfert d'ions lithium se fait naturellement de la source de lithium vers l'électrode à régénérer.
Une simple mesure de la tension et/ou du courant permet alors de contrôler la quantité de lithium transférée de la source de lithium vers l'électrode à régénérer. Si une désinsertion du lithium doit être réalisée, il faudra au contraire forcer le transfert d'ions lithium de l'électrode à régénérer vers la source de lithium, par application d'une tension et/ou d'un courant adapté par exemple au moyen d'une source externe à la cellule électrochimique ou externe à la batterie, tel qu'une autre batterie indépendante ou un courant de secteur. Lorsque le potentiel électrochimique de la source de lithium est supérieur à celui de l'électrode, le transfert d'ions lithium de la source de lithium vers l'électrode à régénérer doit être forcé, par application d'une tension et/ou d'un courant, par exemple au moyen d'une source externe, tel qu'une autre batterie indépendante ou un courant de secteur. Au contraire, une désinsertion du lithium de l'électrode à régénérer se fait naturellement vers la source de lithium. Une simple mesure de la tension et/ou du courant permet alors de contrôler la quantité de lithium transférée de l'électrode à régénérer vers la source de lithium.
En particulier, dans le procédé de gestion selon l'invention, la quantité Qt de lithium transférée peut être contrôlée par application d'une tension et/ou d'un courant entre ladite au moins une source de lithium et ladite électrode raccordée électriquement à ladite source de lithium. Ceci peut permettre de forcer le transfert de lithium, par exemple dans les cas décrits ci-dessus. Avantageusement et de manière non limitative, l'électrode à régénérer peut être une électrode positive d'au moins une cellule électrochimique. Autrement dit, au cours du procédé de gestion selon l'invention, on peut commander le raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à au moins une électrode positive d'au moins une cellule électrochimique. Un autre objet de l'invention concerne un dispositif de gestion de la capacité d'une batterie au lithium composée d'au moins une cellule électrochimique lithium-ion comprenant une électrode positive en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié, une électrode négative et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium, ladite batterie au lithium comportant en outre au moins une source de lithium associée à ladite au moins une cellule électrochimique, ladite source de lithium étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique, ledit dispositif de gestion comprenant : des moyens de traitement agencés pour générer un signal de commande du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à une électrode à régénérer de ladite au moins une cellule électrochimique en fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium, et, des moyens de transmission pour envoyer ledit signal de commande vers des moyens de raccord électrique afin de transférer une quantité Qt contrôlée de lithium entre la source de lithium et ladite électrode à régénérer.
Ce dispositif peut par exemple comprendre ou être intégré dans un ou plusieurs processeurs, par exemple un microcontrôleur, un micro processeur, un DSP (de l'anglais « Digital Signal Processor »), ou autre. Il peut notamment faire partie d'un système de gestion de batterie (« Battery Management System » en anglais), ou non. Par exemple, les moyens de traitement peuvent comprendre ou être intégrés dans un processeur, par exemple un microcontrôleur, un micro processeur, un DSP (de l'anglais 'Digital Signal Processol, ou autre Les moyens de transmission peuvent être un port de sortie, une broche de sortie ou autre. Avantageusement et de manière non limitative, les moyens de traitement peuvent en outre permettre d'estimer une valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par), par exemple à partir d'au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRVi ; PRV), puis d'estimer une valeur courante Qi en fonction de (SOH par i ; SOH par). Ou encore, les moyens de traitement peuvent permettre d'estimer une valeur courante Qi à partir d'au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRVi ; PRV). Le dispositif de gestion selon l'invention peut en outre comprendre des moyens de réception d'au moins une valeur de paramètre (PRVi) représentatif du vieillissement de ladite au moins une cellule électrochimique ou d'au moins une valeur de paramètre (PRV) représentatif du vieillissement de ladite batterie. Ces moyens de réception peuvent être un port d'entrée, une broche d'entrée ou autre. Le dispositif de gestion peut en outre être relié : au moins à des moyens de raccord électrique reliés aux moyens de transmission et aptes à raccorder électriquement au moins une source de lithium de la batterie de lithium à au moins une électrode d'au moins une cellule électrochimique, optionnellement à des moyens de mesure reliés aux moyens de réception aptes à mesurer au moins une valeur de paramètre représentatif du vieillissement d'au moins une cellule électrochimique ou au moins une valeur de paramètre représentatif du vieillissement de la batterie. Les moyens de raccord électrique peuvent être des moyens de commutation. Les moyens de mesure peuvent par exemple être aptes à mesurer la valeur d'un ou plusieurs des paramètres suivants d'au moins une cellule électrochimique de la batterie au lithium ou de la batterie au lithium : conductance, impédance, capacité, résistance interne, auto-décharge, efficacité de charge. Il s'agit par exemple de capteurs appropriés, connus en eux-mêmes.
En particulier, ces moyens de raccord électrique, et optionnellement ces moyens de mesure, peuvent être reliés à la batterie et peuvent faire partie d'un système de production d'énergie électrique rechargeable tel que décrit plus bas. Dans ce cas, le dispositif de gestion peut en outre comprendre, reliés aux moyens de transmission, des moyens de commande en communication avec les moyens de raccord électrique et agencés de façon à piloter les moyens de raccord électrique en fonction du signal de commande généré par lesdits moyens de traitement. Les moyens de traitement et les moyens de commande décrits ci- dessus peuvent être intégrés dans un même processeur, par exemple un microcontrôleur, ou non. Ils peuvent également faire partie d'un système de gestion de batterie (« Battery Management System » en anglais), ou non. Ces moyens de commande peuvent être reliés à des moyens de contrôle de la quantité de lithium transférée de la source de lithium vers ladite au moins une électrode d'une cellule électrochimique. Ces moyens de contrôle, par exemple intégrés au système de production d'énergie électrique rechargeable décrit plus bas, peuvent comprendre des moyens de contrôle de la tension et/ou de l'intensité, passifs ou actifs. Lorsqu'ils sont passifs, ces moyens de contrôle permettent de mesurer une tension et/ou un courant, tels que des capteurs de tension et/ou de courant. Lorsqu'ils sont actifs, ces moyens de contrôle permettent d'appliquer une tension et/ou un courant prédéterminé, tels qu'un générateur de courant, en particulier un générateur externe. Dans le cas d'une batterie de véhicule automobile électrique, ce générateur externe peut être une batterie d'asservissement du véhicule, par exemple une batterie de 12V. Un autre objet de l'invention est un système de production d'énergie électrique rechargeable comprenant une batterie au lithium composée d'au moins une cellule électrochimique lithium-ion comprenant une électrode positive en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié, une électrode négative et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium et au moins un dispositif de gestion tel que décrit ci-dessus, la batterie au lithium comprenant en outre au moins une source de lithium associée à ladite au moins une cellule électrochimique, ladite source de lithium étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique. Le nombre de cellules électrochimiques peut être variable et dépendre de la capacité requise pour une application particulière. La composition des électrodes positive et négative n'est nullement limitée et peut être tout type d'électrode utilisée ou utilisable dans le domaine notamment des batteries Li-ion. Avantageusement et de manière non limitative, ladite au moins une source de lithium peut être une troisième électrode, par exemple intégrée à ladite au moins une cellule électrochimique. La source de lithium peut alors être réalisée de la même manière que les électrodes habituellement utilisées, et sa mise en place dans le système de production peut être simplifiée. Qu'elle soit sous forme d'électrode ou non, une source de lithium utilisable dans la présente invention peut contenir, ou être constituée de, au moins un composé choisi parmi le lithium pur, un alliage LixAy, avec 0<x22 et 0<y<5 avec A=Si, Ge, Sn. La source de lithium peut ainsi être en lithium pur, par exemple sous forme d'électrode, ou être en matériau composite, également sous forme d'électrode ou non.
Le lithium pur et les alliages Li.Ay, notamment Li.Siy, présentent l'avantage de présenter une capacité spécifique élevée, autrement dit une haute teneur en Li par unité de masse, de sorte qu'ils peuvent être introduits en faible quantité, sans augmentation importante du poids total de la batterie.
Lorsque la source de lithium est un matériau composite, la teneur en lithium pur et/ou alliage Li.Ay, notamment Li.Siy, peut être comprise entre 80% et 98% en poids (bornes incluses) par rapport au poids total du matériau composite. Le matériau composite de la source de lithium peut comprendre en outre un composant conducteur, de préférence du carbone conducteur, en des proportions de préférence comprises entre 1 et 15 `)/0 en poids (bornes incluses) par rapport au poids total du matériau composite. Le matériau composite peut également comprendre un liant, par exemple de type polymères de fluorure de vinylidène (PVDF), les copolymères de celui-ci, par exemple avec l'hexafluoropropylène, tels que les poly(fluorure de vinylidène-hexafluoropropylène) (PVDF-HFP), et leurs mélanges. La proportion de liant est de préférence située dans la plage de valeurs allant de 1% à 10% par rapport au poids total du matériau composite.
On peut préparer une source de lithium sous forme d'électrode par mélange des composants ci-dessus entrant dans la composition du matériau composite, par exemple sous forme de poudre, en présence d'un solvant de solubilisation du liant. Classiquement, le mélange pulvérulent est dispersé dans le liant, par exemple constitué de poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), dissout dans un solvant organique, tel que la N-vinylpyrrolidone. Le rapport masse du solvant sur la masse totale des composants du matériau composite varie dans la plage de 0,05 à 0,8. Le tout constitue une suspension épaisse, ou pâte, cette suspension ou pâte ou encre qui comprend donc notamment le lithium pur ou Li.Ay, notamment Li.Siy, le carbone conducteur, le liant polymère, est appliquée ensuite sur un collecteur d'électrode constitué par une feuille métallique, telle qu'une feuille de cuivre ou d'aluminium de faible épaisseur. La suspension est ensuite séchée pour éliminer le solvant, typiquement à des températures comprises entre 80°C et 200°C, pendant 1 h-48 h. La quantité de source de lithium à prévoir pour régénérer une électrode d'une cellule électrochimique peut être estimée en fonction de la consommation prévisible de lithium. Par exemple, en considérant une batterie de 25kWh présentant une rétention de capacité de 80% après 5 ans, au bout de 5 ans, l'énergie de cette batterie sera de 20kWh. En considérant que le lithium a une capacité de 3,8Ah.g-1, il est possible de compenser la perte de 5kWh subie par la batterie en ajoutant 380g de lithium pur. Si on considère la mise en forme de la source de lithium sous forme d'électrode, le poids du collecteur de courant et de la connectique, nous pouvons estimer que le poids total ajouté par l'introduction de cette source de lithium sous la forme d'une troisième électrode est du double, soit 760g. Or, une batterie de 25kWh composée de cellules électrochimiques ayant chacune une densité d'énergie de 160Wh.kg-1 pèse 156kg, alors qu'une batterie de 20kWh avec le même type de cellule pèse 125kg.
L'ajout d'une source de lithium de 760g est ainsi très faible par rapport au poids total de la batterie, et représente un gain de plus de 30kg par rapport à la différence de poids entre une batterie de 25kWh et une batterie de 20kWh. Un calcul similaire peut permettre de déterminer la quantité de LixAy, notamment Li.Siy, à ajouter. Avantageusement et de manière non limitative, ladite troisième électrode peut être insérée à une extrémité d'une cellule électrochimique. Alternativement, ladite troisième électrode peut être en au moins deux parties reliées électriquement et situées à des extrémités opposées d'une cellule électrochimique. Ceci peut favoriser le transfert du lithium de ladite au moins une source de lithium à ladite au moins une électrode, en particulier lorsque cette électrode est en plusieurs parties reliées électriquement en parallèle.
Il est en outre proposé un produit de programme d'ordinateur, notamment utilisé et exécuté par un dispositif de gestion de la capacité d'une batterie au lithium tel que décrit ci-dessus, ce produit de programme d'ordinateur comprenant : un support d'enregistrement lisible par un ordinateur ; et un programme d'ordinateur enregistré sur le support d'enregistrement lisible par un ordinateur, dans lequel le programme d'ordinateur amène un ordinateur à exécuter les étapes d'un procédé de gestion de la capacité d'une batterie au lithium tel que décrit ci-dessus. Il est enfin proposé un véhicule automobile à moteur électrique comprenant un système de production d'énergie électrique tel que décrit ci-dessus. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : la figure 1 est montre un exemple de véhicule selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 montre un exemple de dispositif de gestion selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 représente schématiquement un exemple de cellule électrochimique équipée d'une source de lithium ; la figure 4 représente schématiquement l'intérieur (vu de dessus) d'une cellule électrochimique équipée d'une source de lithium ; la figure 5 montre un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre un véhicule 1 équipé d'un moteur électrique 2 alimenté par une batterie au lithium 3 composée de n cellules électrochimiques 4. Ce véhicule 1 comprend un dispositif de gestion de capacité, par exemple un processeur 50. Ce dispositif de gestion de capacité 50 est en communication avec la batterie au lithium 3 afin, d'une part, de recevoir des données de celle-ci, en particulier des données représentatives du vieillissement des cellules électrochimique de la batterie ou du vieillissement de la batterie 3, et d'autre part, de transmettre un signal de commande C à la batterie 3 afin de régénérer au moins une électrode d'au moins une cellule électrochimique de la batterie 3. Tel que représenté sur la figure 2, le dispositif de gestion de capacité 50 comprend des moyens de réception 6 reliés à des moyens de mesure 7 d'une valeur d'un ou plusieurs paramètres représentatifs (PRVi, PRV) du vieillissement de chaque cellule électrochimique ou de la batterie. Dans la présente demande « i » représente l'indice d'une cellule électrochimique, allant de 1 à n, n étant le nombre total de cellules électrochimiques dans la batterie. Le dispositif de gestion de capacité 50 peut ainsi recevoir en entrée au moins une valeur PRVi de paramètre représentatif du vieillissement de chaque cellule électrochimique 4 de la batterie au lithium 3 installée dans le véhicule 1. En variante ou en combinaison, le dispositif de gestion de capacité 50 peut aussi recevoir en entrée une valeur PRV de paramètre représentatif du vieillissement de la batterie au lithium 3 installée dans le véhicule 1. Le dispositif de gestion de capacité 50 comprend également des moyens de transmission 8 reliés à des moyens de raccord électrique 9 pour l'envoi d'un signal de commande C à la batterie 3, en particulier à chaque cellule électrochimique 4 de la batterie 3. Ces moyens de raccord électrique 9, par exemple des moyens de commutation, permettent de raccorder électriquement la source de lithium d'une cellule électrochimique 4 à une électrode à régénérer de cette cellule électrochimique 4.
Enfin, le dispositif de gestion de capacité 50 comprend des moyens de traitement 5, reliés aux moyens de réception 6 et aux moyens de transmission 8, pour générer un signal de commande C du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à une électrode à régénérer de ladite au moins une cellule électrochimique en fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium Optionnellement, tel que dans le présent exemple, ces moyens de traitement 5 permettent également d'estimer une valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par) à partir dudit au moins un paramètre représentatif du vieillissement (PRVi ; PRV). Avantageusement, chaque cellule électrochimique 4 de la batterie 3 est équipée d'une source de lithium. Les moyens de raccord électrique 9 peuvent permettre de raccorder électriquement les sources de lithium aux électrodes à régénérer des cellules électrochimique simultanément, ou uniquement lorsqu'une cellule électrochimique a besoin d'être régénérée, ce qui peut être déterminé par l'estimation d'une valeur de paramètre d'usure (SOH par i) de la cellule électrochimique et/ou par l'estimation d'au moins une valeur de paramètre (PRVi) représentatif du vieillissement de cette cellule électrochimique. La figure 3 représente schématiquement une cellule électrochimique 4 comprenant une enveloppe 10 équipée de deux bornes électriques, une borne positive 11 reliée électriquement à une ou plusieurs électrodes positives disposées à l'intérieur de l'enveloppe 10 et une borne négative 12 reliée électriquement à une ou plusieurs électrodes négatives disposées à l'intérieur de l'enveloppe 10. A l'intérieur de l'enveloppe 10, les électrodes baignent dans un électrolyte.
La cellule électrochimique 4 comprend en outre une troisième borne ou électrode 13 reliée électriquement à une source de lithium disposée à l'intérieur de l'enveloppe 10. Les moyens de raccord électrique 9 décrits plus haut sont ainsi agencés pour relier électriquement la troisième borne 13 à l'une des bornes 11 ou 12 de la cellule électrochimique, généralement la borne positive 11. La figure 4 montre l'intérieur d'une cellule électrochimique 4 comprenant une pluralité d'électrodes positives 14 reliées électriquement en parallèle et une pluralité d'électrodes négatives 15 reliées électriquement en parallèle logées dans une enveloppe 10. Ces électrodes positives 14 et négatives 15 sont par exemple sous forme de plaques agencées parallèlement les unes aux autres et alternées, deux électrodes adjacentes étant séparées par un séparateur 19 (symbolisé par une ligne en traits pointillés sur la figure 4). Cette cellule électrochimique 4 présente une borne positive 11 et une borne négative 12. Selon une première variante, une source de lithium 16 peut être localisée à une extrémité de la cellule électrochimique 4, tel que représenté sur la partie gauche de la figure 4. Cette source de lithium 16 est alors raccordée électriquement à une borne 13 (similaire à la borne 13 de la figure 3). Selon une autre variante représentée sur la partie droite de la figure 4, la source de lithium peut être en plusieurs parties, par exemples deux parties 17, 18 reliées électriquement et situées à des extrémités opposées de la cellule électrochimique 4, de part et d'autre des électrodes 14, 15. Cette disposition peut permettre une meilleure diffusion des ions lithium vers les différentes parties de l'électrode à régénérer. En référence à la figure 5, est reçue lors d'une étape 31 une valeur de paramètre représentatif du vieillissement d'une cellule électrochimique PRVi ou du vieillissement de la batterie PRV. Cette valeur sert à l'estimation d'une valeur de paramètre d'usure (SOH par i) d'une cellule électrochimique ou (SOH par) de la batterie lors d'une étape 32. Lors d'une étape 33, la valeur (SOH par i) ou (SOH par) est comparée à une valeur seuil (SOH par seuil i), respectivement (SOH par seuil).
Si la valeur (SOH par i) ou (SOH par) est inférieure à une valeur seuil (SOH par seuil i), respectivement (SOH par seuil), alors le dispositif de gestion 4 génère lors d'une étape 34 un signal de commande C fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium. L'étape de génération (34) du signal de commande peut être effectuée en suivant les étapes 341 à 343 représentées sur la figure 5. Lors d'une étape 341, on détermine une quantité courante Qi de lithium présent dans ladite électrode à régénérer, par exemple à partir de la valeur de paramètre d'usure (SOH par i) de ladite cellule électrochimique ou de la valeur de paramètre d'usure (SOH par) de la batterie. Puis, au cours d'une étape 342, on détermine une quantité de lithium Qt à transférer en fonction de Qi et de la quantité de lithium nominale Qn de l'électrode.
En particulier, si la quantité Qi est inférieure à Qn, autrement dit si l'électrode a un défaut de lithium, alors, à la fin de la régénération, la quantité finale de lithium est telle que Qf=Qt+Qin. Si la quantité Qi est supérieure à Qn, autrement dit si l'électrode a un excès de lithium, alors, à la fin de la régénération, la quantité finale de lithium est telle que Qf=Qi-QtQn. Lors d'une étape 343, on détermine la valeur de la tension V et/ou du courant I devant circuler dans un circuit reliant l'électrode à régénérer à une source de lithium, ou on détermine une durée T de raccord électrique, afin de transférer la quantité Qt de lithium.
Il est ainsi possible de contrôler précisément la quantité de lithium insérée ou dé insérée dans l'électrode à régénérer, de sorte que cette quantité est égale ou sensiblement égale à la valeur nominale Qn de l'électrode, mais pas supérieure à celle-ci, assurant un fonctionnement optimal de la cellule électrochimique.
Le signal de commande C est ensuite transmis au cours d'une étape 35 aux moyens de raccord. A la fin de la régénération de l'électrode, le signal de commande C peut être remis à zéro, et les étapes 31 à 35 réitérées. Cette réitération peut être effectuée à des intervalles de temps prédéterminés ou lors de d'une opération de charge ou de révision de la batterie, ou en fonction de tout autre paramètre de fonctionnement d'un véhicule utilisant la batterie.
Les étapes du procédé décrit peuvent être mises en oeuvre à des intervalles de temps réguliers pour un contrôle continu de la capacité de la batterie. En variante ou en combinaison, ces étapes peuvent être mises en oeuvre au moment de la charge de la batterie, ou lors de révisions de la batterie. En outre, les différentes valeurs de paramètre peuvent être enregistrées dans une mémoire pour un suivi du fonctionnement de la batterie. Le procédé selon l'invention peut comporter une étape de test de sortie de la boucle implémentée (34, 341, 342, 343, dans l'exemple), tel que par exemple un compteur, un comparateur de Qi à un seuil. Suite à ce test de sortie, le procédé peut alors être réinitialisé, par exemple à l'étape 31. De manière générale, le logigramme représenté est très schématique et l'homme du métier saura programmer les boucles et les tests pour gérer la régénération d'une électrode ou d'un groupe d'électrodes.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion de la capacité d'une batterie au lithium composée d'au moins une cellule électrochimique lithium-ion comprenant une électrode positive en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié, une électrode négative et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium, ladite batterie au lithium comportant en outre au moins une source de lithium associée à ladite au moins une cellule électrochimique, ladite source de lithium étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique, ledit procédé comprenant générer (34) un signal de commande du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à une électrode à régénérer de ladite au moins une cellule électrochimique en fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium, transmettre (35) le signal de commande vers des moyens de raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à l'électrode à régénérer afin de régénérer cette dernière.
  2. 2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer est estimée (341) en fonction d'au moins une valeur d'un paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par).
  3. 3. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer, ou ladite au moins une valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par), est estimée à partir d'au moins une valeur de paramètre (PRVi) représentatif du vieillissement d'au moins une cellule électrochimique et/ou à partir d'au moins une valeur de paramètre (PRV) représentatif du vieillissement de ladite batterie.
  4. 4. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer, ou ladite au moins valeur de paramètre d'usure (SOH par i ; SOH par), est estimée (32) à partir d'un ou plusieurs des paramètres suivants : conductance, impédance, capacité, résistance interne, autodécharge, efficacité de charge.
  5. 5. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le signal de commande est élaboré de manière à transférer une quantité de lithium (Qt) telle que, à la fin de la régénération de ladite au moins une électrode à régénérer, la quantité finale de lithium (Qf) présent dans ladite électrode à régénérer est inférieure ou égale à ladite quantité de lithium nominale (Qn) de cette électrode.
  6. 6. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le signal de commande est élaboré en fonction d'une tension appliquée ou mesurée et/ou en fonction d'un courant appliqué ou mesuré, ladite tension et ledit courant circulant dans le circuit comprenant ladite au moins une source de lithium et ladite électrode à régénérer raccordée électriquement à ladite source de lithium.
  7. 7. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode à régénérer est une électrode positive d'au moins une cellule électrochimique.
  8. 8. Dispositif de gestion (50) de la capacité d'une batterie au lithium composée d'au moins une cellule électrochimique lithium-ion comprenant une électrode positive en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié, une électrode négative et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium, ladite batterie au lithium comportant en outre au moins une source de lithium associée à ladite au moins une cellule électrochimique, ladite source de lithium étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique, ledit dispositif de gestion comprenant :des moyens de traitement (5) agencés pour générer un signal de commande du raccord électrique de ladite au moins une source de lithium à une électrode à régénérer de ladite au moins une cellule électrochimique en fonction d'une valeur estimée de la quantité courante (Qi) de lithium présent dans ladite électrode à régénérer et d'une quantité nominale (Qn) de lithium de ladite électrode à régénérer afin de transférer une quantité (Qt) de lithium entre ladite électrode à régénérer et ladite source de lithium, et des moyens de transmission (8) pour envoyer ledit signal de commande vers des moyens de raccord électrique (9) afin de transférer une quantité (Qt) contrôlée de lithium entre la source de lithium et ladite électrode à régénérer.
  9. 9. Système de production d'énergie électrique rechargeable comprenant une batterie au lithium (3) composée d'au moins une cellule électrochimique (4) lithium-ion comprenant une électrode positive (14) en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié, une électrode négative (15) et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium et au moins un dispositif de gestion (50) selon la revendication 7, la batterie au lithium comprenant en outre au moins une source de lithium (16 ; 17, 18) associée à ladite au moins une cellule électrochimique (4), ladite source de lithium (16 ; 17, 18) étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique (4) et ladite au moins une source de lithium (16 ; 17, 18) contient, ou est constituée de, au moins un composé choisi parmi le lithium pur, un alliage Li.Ay, avec 0<x22, 0<y5, où A=Si, Ge, Sn.
  10. 10. Système de production d'énergie électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite au moins une source de lithium (16 ; 17, 18) est une troisième électrode.
  11. 11. Véhicule automobile (1) à moteur électrique (2) comprenant une batterie au lithium (3) composée d'au moins une cellule électrochimique (4) lithium-ion comprenant une électrode positive (14) en un matériau composite comprenant au moins un composant lithié,une électrode négative (15) et un électrolyte aprotique comprenant au moins un sel de lithium et au moins un dispositif de gestion (50) selon la revendication 8, la batterie au lithium (3) comprenant en outre au moins une source de lithium (16 ; 17, 18) associée à ladite au moins une cellule électrochimique, ladite source de lithium (16 ; 17, 18) étant distincte et indépendante desdites électrodes négative et positive de ladite au moins une cellule électrochimique.
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