Batteries LFP » Stockage électrique moderne avec phosphate de fer et lithium
Publié le : 10.10.2023 | Durée de lecture : 4 minutes
Les accumulateurs ou batteries au lithium-ion, comme on les appelle désormais, sont parfaits pour de nombreuses applications mobiles et fixes. Ces batteries possèdent en effet une énorme densité énergétique qui, malgré une capacité de stockage élevée, permet une construction très compacte. Nos smartphones ultra-minces en sont la meilleure preuve.
Mais l'industrie automobile mise également de plus en plus sur les accumulateurs au lithium performants dans les versions les plus diverses, comme les cellules NMC ou les cellules NCA, pour l'électromobilité.
Malheureusement, à ces nombreux avantages formidables s'ajoutent quelques inconvénients que nous ne voulons pas passer sous silence. Dans le cas des batteries au lithium, il s'agit de matières premières coûteuses telles que le nickel, le manganèse ou le cobalt, qui sont parfois extraites et négociées dans des conditions assez douteuses.
Un autre point critique est l'instabilité thermique, qui a déjà déclenché plus d'un incendie d'accumulateur. Pour maîtriser ces problèmes, des batteries au lithium-phosphate de fer (LFP) ont été développées, que nous aimerions vous présenter un peu plus en détail.
L'accumulateur lithium-phosphate de fer est également appelé LFP, où LFP signifie Lithium Ferro Phosphate (LiFePO4). Les accumulateurs LFP font donc également partie de la grande famille des accumulateurs au lithium.
L'électrode positive de la batterie est composée de phosphate de fer et de lithium et ne contient ni nickel ni chrome ni manganèse. L'électrode négative de la batterie est composée de graphite, tout comme les autres accus au lithium.
Les accumulateurs au LFP de forme cylindrique existent en général sous forme de cellules 14500, 18650 ou 26650. Mais les fabricants proposent aussi des cellules plates et soudées dans une feuille d'aluminium ou des cellules prismatiques à boîtier fixe (voir photo).
Bien que la technologie des cellules au lithium-phosphate de fer ait été développée dès la fin des années 1990, la grande percée de cette technologie n'a malheureusement pas eu lieu jusqu'à présent.
En raison de l'augmentation significative du prix du nickel, du cobalt et du manganèse, les accumulateurs LFP deviennent de plus en plus intéressants pour l'industrie. D'autant plus que le développement technique de la technologie LFP permet aux accumulateurs d'atteindre une capacité toujours plus grande.
En fait, les batteries LiFePO4 fonctionnent sur le même principe que toutes les piles lithium-ion rechargeables.
Processus de charge
La tension de charge externe ôte les électrons chargés négativement du pôle positif de la batterie. En conséquence, les ions de lithium chargés positivement se déplacent en interne de l'électrode positive vers l'électrode négative en passant par l'électrolyte et le séparateur. Là, les ions lithium absorbent les électrons mis à disposition par le chargeur et se déposent dans le graphite de l'électrode négative.
Processus de décharge
Pour décharger, il suffit de connecter un consommateur aux deux bornes de l'accumulateur. Le lithium de l'électrode négative cède à nouveau son électron et se déplace en interne sous forme d'ion chargé positivement pour revenir à l'électrode positive. Là, les électrons qui passent par le circuit électrique permettent aux ions de lithium chargés positivement d'être réintégrés dans l'électrode positive.
Vous trouverez une description plus détaillée des processus de charge et de décharge des batteries au lithium dans notre guide sur la technologie Li-ion.
Le respect correct des paramètres de charge et de décharge est assuré par des systèmes de gestion de batterie (BMS) intelligents, intégrés soit dans l'appareil concerné, soit même directement dans la batterie.
Comme nous l'avons déjà mentionné, les cellules LFP renoncent aux composants coûteux tels que le nickel, le manganèse et le cobalt. Cela a un effet positif sur le prix. Mais ce n'est pas tout. Étant donné que ces matières premières sont en partie extraites dans des conditions écologiques et humanitaires extrêmement préoccupantes, il est tout à fait louable d'y renoncer également pour des raisons éthiques. Toutefois, les cellules LFP n'atteignent pas non plus les densités énergétiques élevées des accumulateurs NMC/NCA. Nous avons dressé ci-dessous une liste exacte des avantages et des inconvénients :
Avantages des LFP :
· Absence de nickel, de manganèse et de cobalt
· Fabrication abordable
· Haute sécurité thermique
· Courants de charge et de décharge élevés
· Haute résistance au cyclage
· Longue durée de vie
· Courbe de décharge plate
· Large plage de température
· Recyclage facile
Inconvénients des LFP :
· Faible densité énergétique ou capacité spécifique
· Gestion BMS intelligente requise*
*Parfois, dans la technologie du lithium, un avantage peut aussi être un inconvénient. D'une part, la courbe de décharge plate assure une longue fourniture de puissance à un niveau constant, d'autre part, l'état de charge actuel (SoC = State of Charge) ne peut pas être enregistré par le système de gestion de la batterie (BMS) par une simple mesure de la tension. À cet égard, un effort nettement plus important est nécessaire pour un BMS efficace.
La faible densité énergétique était jusqu'à présent le critère rédhibitoire pour cette technologie de batterie. Du moins pour les applications dans le domaine mobile. Mais pour les applications fixes, comme par exemple le stockage d'énergie fixe pour les installations solaires (BESS), il est tout à fait judicieux de miser sur les accumulateurs LFP. En effet, la faible densité énergétique et donc la capacité de stockage réduite peuvent facilement être compensées par des accumulateurs supplémentaires. Le poids et l'encombrement jouent généralement un rôle secondaire dans ces applications.
Jusqu'à présent, le principal domaine d'application des piles ou accumulateurs LFP se trouvait généralement là où la sécurité et la longévité jouaient un rôle important. Parallèlement, l'augmentation de l'espace nécessaire à l'ajout de cellules pour augmenter la capacité ne devait pas constituer un obstacle. Ainsi, les cellules au lithium-phosphate de fer ont été utilisées entre autres comme accumulateurs d'énergie fixes, dans l'industrie, le BTP, la navigation et les véhicules spéciaux les plus divers. Mais en raison de leur forme, les batteries LFP sont aussi volontiers utilisées pour remplacer les batteries plomb-acide ou plomb-gel.
Le développement technique des batteries lithium-phosphate de fer permet également d'augmenter continuellement la capacité utilisable des batteries au lithium.
La grande sécurité en termes de rupture thermique (auto-inflammation), l'énorme résistance au cyclage et les courants de charge élevés rendent cette technologie d'accumulateurs de plus en plus intéressante pour les constructeurs de voitures électriques.
Outre les batteries NMC et NCA, le constructeur automobile Tesla utilise désormais des batteries LFP améliorées dans le modèle 3 et le modèle Y (dans sa version de base).
Peut-être que l'électromobilité ou l'utilisation de la technologie LFP dans les voitures électriques permettra de réaliser une percée majeure.
