LiFePO4 ou NMC : la chimie qui décide de la durée de vie

Soixante et un des soixante-quatorze modèles de ce comparatif embarquent des cellules LiFePO4. Huit sont en NMC. Cinq ne le disent pas, ce qui est déjà une information.

Ce basculement s’est produit en quelques années, et il ne doit rien à la mode. Deux chimies, deux durées de vie, deux comportements en cas d’incident. Un acheteur qui ignore laquelle il achète choisit à l’aveugle la chose la plus chère et la moins remplaçable de l’appareil.

Deux façons d’arranger les mêmes atomes

Dans les deux cas, des ions lithium font l’aller-retour entre une électrode et l’autre. La différence tient au matériau qui les accueille du côté positif.

Le LiFePO4, ou LFP, utilise du phosphate de fer lithié. Structure très stable. Fer, phosphore et oxygène y sont liés solidement. La NMC associe nickel, manganèse et cobalt dans un oxyde en couches. Elle stocke plus d’énergie dans le même volume, parce que le nickel est généreux, et elle tient moins bien la chaleur, pour exactement la même raison.

Tout le reste découle de ces deux structures. Le nombre de cycles, le poids, la réaction en cas de perforation, la tenue au froid, la vitesse de vieillissement à l’arrêt. On ne choisit pas une chimie. On choisit un paquet de conséquences.

3 000 cycles, oui, mais jusqu’où ?

Voilà l’endroit où les chiffres publiés cessent d’être comparables entre eux.

Un cycle de batterie ne se termine pas, il se mesure. On charge, on décharge, on recommence, et on note à partir de quand la cellule ne rend plus qu’une fraction de sa capacité d’origine. Cette fraction est le seuil, et elle est arbitraire. À 80 % de capacité restante, les fabricants de cellules donnent en général 4 000 à 6 000 cycles pour du LFP de qualité et 2 000 à 3 000 pour de la NMC, dans des conditions de laboratoire propres : 25 °C, régime d’un C, décharge complète.

Descendez le seuil à 70 % et le même produit gagne d’un coup plusieurs centaines de cycles, sans qu’une seule cellule ait changé. Le chiffre grossit. La batterie, non. Certaines fiches annoncent donc « 4 000 cycles » sans dire jusqu’où, et cette omission n’est pas un oubli de rédaction.

Sur les 74 modèles de ce comparatif, les LiFePO4 qui déclarent un nombre de cycles s’échelonnent de 2 000 à 6 000, avec 3 000 en médiane. Les NMC vont de 800 à 2 500. Le rapport de un à quatre entre le plancher NMC et la médiane LFP correspond à ce que publient les fabricants de cellules, ce qui est plutôt rassurant sur l’honnêteté générale des fiches.

Trois précisions manquent presque toujours et changent tout : la température d’essai, la profondeur de décharge et le régime de courant. Vidée à moitié plutôt qu’entièrement, la même cellule tient beaucoup plus longtemps. Rechargée à pleine puissance chaque fois, beaucoup moins.

Ce qui se passe quand une cellule s’emballe

Le mot technique est emballement thermique, et il désigne une réaction qui s’entretient elle-même : la cellule chauffe, ce qui la fait chauffer davantage.

Les chiffres qui circulent ici sont souvent faux, parce qu’ils mélangent deux essais différents. Une cathode seule passée au calorimètre tient des températures bien plus hautes qu’une cellule complète, et c’est la cellule complète qui vous intéresse. Le « 270 °C contre 200 °C » qu’on lit un peu partout vient du premier essai, pas du second.

Une équipe de l’institut de technologie de Karlsruhe a passé des cellules 21700 de cinq références au calorimètre adiabatique, en chauffe progressive puis en perforation au clou, et publié le détail en avril 2023 dans la revue Batteries. L’auto-échauffement démarre le plus tôt sur les NMC, à 85,5 °C en moyenne ; toutes chimies et tous états de charge confondus, le seuil s’étale de 81 à 151 °C. Les LFP réagissent plus tard et plus lentement.

Le vrai écart se voit à la perforation. Aucune cellule LFP n’est partie en emballement, quel que soit son état de charge : elles ont chauffé jusqu’à 132 °C au maximum, gardé leur enveloppe et perdu très peu de matière. Les NMC et les NCA se sont emballées à tous les états de charge sauf à zéro. C’est le seul résultat de cette étude qui départage franchement les deux chimies, et il porte sur le scénario qui inquiète : le court-circuit interne, celui qu’un choc provoque et qu’aucun BMS ne voit venir.

Je m’arrête là, parce que la suite est trop souvent racontée de travers. Les comparaisons d’énergie libérée qui circulent, en général au bénéfice du LFP, ne se retrouvent pas dans cette étude : rapportée à l’ampère-heure, la chaleur dégagée par ses cellules LFP est même la plus élevée du lot. Et personne n’y a mesuré les volumes de gaz par chimie.

Deux nuances, parce que le tableau n’est pas tout blanc. L’électrolyte est le même dans les deux chimies et il brûle aussi bien. Et le déclenchement vient de l’anode et de sa couche de passivation, pas de la cathode : le phosphate de fer limite l’ampleur de l’incendie, il ne l’empêche pas de démarrer.

Rien de tout cela ne rend une station NMC dangereuse en usage normal. Les BMS surveillent, les boîtiers protègent, les incidents restent rares. Mais si l’appareil dort dans un van au mois d’août, à côté de gens qui dorment aussi, la marge compte.

Le froid, le seul vrai point faible du LFP

Il existe une situation où le LiFePO4 devient franchement pénible, et elle arrive tous les hivers.

Pas de charge sous zéro degré. Jamais. En dessous, les ions ne s’insèrent plus correctement dans le graphite de l’anode : ils s’y déposent en lithium métallique. Le dépôt est irréversible. Il s’accumule à chaque charge à froid, jusqu’au court-circuit interne. Les préconisations de charge sous zéro tombent à un dixième de C, et sous dix degrés négatifs à un vingtième, autant dire un filet.

La décharge, elle, reste possible. Simplement la capacité disponible s’effondre : autour de moins dix degrés, une batterie peut ne rendre sur le moment que 60 % de ce qu’elle rendrait à température ambiante. Cette perte n’est pas définitive, elle revient quand la cellule se réchauffe, et beaucoup d’utilisateurs paniquent pour rien en regardant leur jauge un matin de février.

Les stations qui prévoient le coup embarquent un préchauffage des cellules avant d’accepter le courant de charge. La fonction se vérifie sur la fiche, et son absence se paie exactement une fois : le jour où le BMS refuse le solaire à huit heures du matin alors que le ciel est dégagé.

Le kilo que la NMC fait gagner

Reste l’argument qui maintient huit modèles NMC au catalogue, et il est réel.

À poids égal, la NMC stocke à peu près un quart d’énergie de plus qu’une LFP. Sur une station complète, où le boîtier, l’onduleur et la ventilation pèsent aussi, l’écart se dilue mais ne disparaît pas. Deux kilos de moins sur un appareil qu’on porte à bout de bras jusqu’à un troisième étage, ça se remarque.

Ce gain ne sert qu’à celui qui déplace vraiment sa station. Posée dans un fourgon, dans un atelier ou derrière une box internet, elle ne pèse rien du tout, et la seule question qui subsiste est de savoir combien d’années elle tiendra.

Le calcul de coût se fait alors sans regarder le prix d’achat. Multipliez la capacité utile par le nombre de cycles annoncés, au même seuil pour les deux appareils, et vous obtenez une quantité totale d’énergie que la machine délivrera dans sa vie. Une LFP à 3 000 cycles fournit trois fois plus qu’une NMC à 1 000, à capacité égale. Rapportez ensuite le prix à cette quantité et le classement change souvent d’ordre.

Un mot pour finir sur ce qui tue une batterie sans qu’on l’utilise. Stockée pleine et au chaud, elle vieillit vite. Plus vite que si on la faisait travailler raisonnablement. Une station qu’on laisse six mois à 100 % dans un garage l’été perd de la capacité sans avoir servi. La ranger à moitié pleine, dans un endroit tempéré, coûte trente secondes et prolonge sérieusement l’affaire.