Comment fonctionne une batterie LFP ?

Les cellules LFP d'une batterie de Tesla Model 3 / Image : Tesla, montage : RE.

Les batteries LFP, sans cobalt et sans nickel, sont rapidement devenues omniprésentes. Elles ont conquis les applications stationnaires, et arrivent en force sur le marché automobile. Comment fonctionnent-elles ? Quelles sont les différences avec les autres batteries ?

Les batteries LFP, pour lithium-fer-phosphate, entrent dans la famille des batteries lithium ion. Leur développement a été particulièrement rapide ces dernières années, à tel point qu’ils sont utilisés progressivement pour nombreuses applications où régnait auparavant une autre variante des batteries Li-ion, les batteries dites LCO, pour Lithium-Cobalt Oxide. Ce succès est dû notamment à une durée de vie plus longue, une sécurité renforcée, notamment vis-à-vis des risques d’auto-inflammation, et à un coût d’achat plus faible. Enfin, un autre avantage, et non des moindres, ils n’utilisent ni nickel, ni cobalt, matières spéculatives pouvant causer non seulement des problèmes d’approvisionnement, mais également causer des dommages environnementaux ou en termes de droits humains.

La densité énergétique des accumulateurs LFP est cependant un plus faible que les accumulateurs LCO, mais cette caractéristique n’est pas défavorable pour les batteries stationnaires. Si bien qu’aujourd’hui la grande majorité des batteries domestiques mises en vente utilisent cette technologie. Par ailleurs, la différence est suffisamment faible pour que des voitures électriques soient équipées d’accumulateurs LFP, pour réduire leur coût, comme les Model 3 et Model Y de Tesla, ou, en ce qui concerne les constructeurs français, des modèles en cours de développement pour Citroën ou Renault.

Pour toutes ces raisons, les accumulateurs LFP rencontrent un succès grandissant, notamment en Asie, et de plus en plus dans le reste du monde.

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La composition d’une batterie LFP

De manière générale, ce qu’on appelle une batterie est un ensemble de cellules élémentaires, appelées accumulateurs, encloses dans une enveloppe de protection. Les accumulateurs LFP sont une variante des accumulateurs Li-ion, le principe de fonctionnement est donc le même : il s’agit d’échanger des ions lithium Li⁺, circulant au travers d’un électrolyte, entre une électrode dite positive et une électrode dite négative, le matériau de l’électrode positive étant caractérisée par une plus grande affinité avec le lithium. Lors de la décharge, le lithium s’accumulera dans l’électrode positive, et, inversement, lors de la charge, il s’accumulera dans l’électrode négative.

Ce principe général est valable pour toutes les technologies d’accumulateurs Li-ion ; nous recommandons au lecteur de consulter l’article détaillé de Révolution Énergétique relatif à leur fonctionnement. Nous allons ici décrire la particularité principale des accumulateurs LFP, qui réside dans le matériau qui constitue l’électrode positive, le fameux composé appelé Lithium-Fer-Phosphate, et dont la formule chimique s’écrit LiFePO₄.

Le LFP est un composé chimique dont la structure présente une alternance de sites où se retrouvent le fer et le phosphate, liés à l’oxygène. Entre ces sites, des interstices permettent aux atomes de lithium de s’insérer, selon un réseau tridimensionnel. C’est la différence principale avec le matériau des électrodes positives d’autres technologies Li-ion, comme le LCO, qui s’organisent plutôt sous la forme de feuillets bidimensionnels. Lorsque l’accumulateur est complètement chargé, le lithium est complètement extrait de la structure du LiFePO₄, qui devient alors du phosphate de fer FePO₄.

L’électrode négative, quant à elle, est constituée du même matériau que les autres technologies Li-ion : du carbone sous la forme de graphite, dont la structure s’organise sous forme de feuillets entre lesquels vient s’intercaler le lithium. L’électrolyte, quant à lui, est également non aqueux, du fait de la forte réactivité du lithium et de l’eau. À l’instar des autres concepts d’accumulateurs Li-ion, cet électrolyte a uniquement la fonction de conducteur ionique, c’est-à-dire de permettre le transport des ions Li⁺ à l’intérieur de l’accumulateur.

[1] Tolganbek et al 2021, Current state of high voltage olivine structured LiMPO4 cathode materials for energy storage applications: A review, Journal of Alloys and Compounds, vol 882 (15 novembre 2021)