Technologie Li-Ion » La norme actuelle pour les accus de haute puissance
Publié le : 10.10.2023 | Durée de lecture : 8 minutes
Il n'y a pas si longtemps, les téléphones se trouvaient encore dans le couloir ou dans le salon, étaient recouverts d'un brocart et étaient reliés par un câble à la prise téléphonique. À l'époque, les appareils de communication sans fil n'existaient que dans les films de science-fiction.
Tout le monde sait désormais que cette époque est révolue depuis longtemps.
Cependant, le passage à la communication mobile actuelle n'a été possible que grâce aux progrès considérables réalisés très rapidement en matière de technologie des batteries.
Le terme clé ici est « batterie lithium-ion », qui permet de stocker d'énormes quantités d'énergie électrique dans un espace très réduit. Ainsi, nos smartphones, tablettes ou ordinateurs portables peuvent fonctionner longtemps sans être branchés sur le secteur ni rechargés.
Nous vous expliquons volontiers ce qui se cache exactement derrière cette technologie et comment fonctionne la technologie lithium-ion.
L'abréviation Li-Ion fait référence à la technologie lithium-ion et dérive de l'élément chimique lithium. Dès que le lithium présente un état chargé électriquement, il est appelé lithium-ion. Une batterie LiIon est donc un accumulateur d'électricité rechargeable dans lequel les ions lithium jouent un rôle décisif dans l'échange de charge.
Il existe également des piles Li-Ion qui sont utilisées, par exemple, comme piles boutons dans les montres et qui ne peuvent pas être rechargées.
Contrairement aux anciennes batteries nickel-cadmium ou aux batteries nickel-hydrure métallique, qui ont une tension de 1,2 volt par cellule, les batteries Li-Ion ont une tension nettement plus élevée, comprise entre 3,3 et 3,8 volts par cellule. De plus, leur densité énergétique, c'est-à-dire leur capacité à stocker de l'énergie électrique, est également beaucoup plus élevée.
Comme toute autre batterie rechargeable ou pile classique, la batterie Li-Ion se compose d'une électrode positive, d'une électrode négative et d'un électrolyte liquide qui sert de fluide de transport pour les ions lithium.
La structure concrète se présente comme suit :
L'alimentation électrique des électrodes s'effectue via des couches électroconductrices composées de différents matériaux. L'aluminium (1) est utilisé comme couche conductrice pour la borne positive et le cuivre (2) pour la borne négative.
L'électrode positive (pôle +) est composée d'un oxyde métallique de lithium (3) pouvant contenir différentes proportions de nickel, de cobalt, de manganèse ou d'aluminium.
Le phosphate de fer lithié est également utilisé comme matériau d'électrode.
L'électrode négative (pôle -) est composée de carbone (4) ou, plus précisément, de graphite structuré en couches.
À la place du graphite, on utilise également du silicium nanocristallin amorphe, du titanate de lithium ou du dioxyde d'étain.
Important :
Le type et la composition des électrodes déterminent la tension et les propriétés électriques de la batterie. Mais en principe, plus la composition chimique est homogène et pure, plus la puissance et la durée de vie de la cellule sont élevées. Afin que les ions lithium puissent se déplacer dans la cellule en tant que porteurs de charge, un électrolyte anhydre (5) sert de moyen de transport entre les électrons. Différents sels sont utilisés, tels que l'hexafluorophosphate de lithium ou le tétrafluoroborate de lithium, qui sont dissous dans des solvants aprotiques tels que le carbonate d'éthylène ou de propylène. Afin que les processus de charge et de décharge puissent se dérouler sans perturbation, l'électrolyte doit être extrêmement pur et également enrichi en ions lithium. De plus, l'électrolyte favorise la formation des phases limites tridimensionnelles Solid Electrolyte Interphase (SEI) sur l'électrode négative et Cathode Electrolyte Interphase (CEI) sur l'électrode positive, qui sont nécessaires au fonctionnement de la batterie.
Afin d'éviter tout court-circuit entre les électrodes, celles-ci sont séparées par un séparateur (6). Le séparateur est constitué d'une membrane microporeuse en polyoléfine qui n'est perméable qu'aux minuscules ions lithium.
Nous souhaitons expliquer le fonctionnement, les processus internes et les réactions chimiques qui se produisent lors du chargement et du déchargement à l'aide d'une batterie lithium-oxyde de cobalt courante.
Processus de charge
Lors du processus de charge, une source de tension ou un chargeur (1) est raccordé aux électrodes.
Le pôle positif du chargeur présente un déficit en électrons, ce qui lui permet d'absorber des électrons (particules élémentaires chargées négativement). Le pôle négatif du chargeur présente un excédent en électrons. C'est là que les électrons sont libérés pendant le processus de charge.
Sous l'effet de la tension de charge appliquée à la batterie, les électrons migrent du pôle positif de la batterie (2) vers la borne positive du chargeur via le câble de charge (3). De même, les électrons se déplacent de la borne négative du chargeur vers le pôle négatif de la batterie (5) via le câble de charge (4).
Le courant de charge chargerait positivement la couche d'oxyde de lithium métallique (6) et négativement la couche de graphite (7).
Si l'on examine les nombres d'oxydation, c'est-à-dire les charges élémentaires d'un atome au sein d'un composé, on obtient le tableau suivant pour la couche d'oxyde de lithium métallique :
Le lithium (8) a un nombre d'oxydation de +I.
Le cobalt (9) a un nombre d'oxydation de +III.
L'oxygène (10) a un nombre d'oxydation de -II.
Le dioxyde de lithium-cobalt (LiCoO2), avec ses deux atomes d'oxygène, un atome de cobalt et un ion lithium, est donc électriquement neutre.
Processus au sein de la cellule pendant le chargement
Le processus de charge entraîne le retrait d'électrons au niveau de la cathode, ce qui oxyde davantage le cobalt jusqu'au degré d'oxydation IV. Le dioxyde de lithium-cobalt se chargerait alors positivement. Pour contrer ce phénomène, les ions lithium quittent l'oxyde, qui redevient alors neutre.
Les ions lithium désormais libres migrent à travers l'électrolyte et le séparateur vers le pôle positif de la batterie. Là, ils absorbent les électrons libres présents sous l'effet de la tension de charge et forment une liaison d'intercalation (du latin intercalare = insérer) avec la structure en couches du graphite.
Lorsque tous les ions lithium sont arrivés à l'électrode négative et y sont intégrés, la batterie est complètement chargée.
Processus de décharge
Lors du déchargement, les liaisons d'intercalation sont rompues au niveau de l'électrode négative. Le lithium libère alors les électrons qu'il a absorbés et se transforme en ion lithium chargé positivement.
Le lithium métallique étant un métal non précieux qui cède très facilement ses électrons, ce processus se déroule de manière quasi automatique. Il suffit pour cela de relier les électrodes de la batterie à un circuit électrique externe comprenant un consommateur.
Les électrons libérés par le lithium sont conduits du pôle négatif au pôle positif via le circuit électrique du consommateur.
Là, ils réduisent le cobalt du niveau d'oxydation IV au niveau III. Le dioxyde de cobalt est ainsi chargé négativement et peut à nouveau absorber des ions lithium chargés positivement.
Et c'est exactement ce qui se passe. En effet, après avoir cédé l'électron, les ions lithium migrent de l'électrode négative vers l'électrode positive en passant par l'électrolyte et le séparateur. Là, ils se combinent à nouveau avec le dioxyde de cobalt pour former du LiCoO2.
Le terme « batterie Li-ion » est en quelque sorte un terme générique désignant toute une famille de batteries qui se distinguent par la composition chimique de leur cathode. Les principales sont :
Récapitulatif des batteries aux ions lithium les plus courantes
| Dénomination | Matériau de cathode | Type | Tension par cellule | Densité énergétique | Nombre de cycles |
|---|---|---|---|---|---|
| Batterie à l'oxyde de lithium et cobalt | LiCoO2 | LCO | 3,6 V | 200 Wh/kg | 500 - 1000 |
| Batterie au lithium-manganèse | LiMnO2 / LiMnO4 | LMO | 3,7 – 3,8 V | 150 Wh/kg | 300 - 700 |
| Batterie au lithium-nickel-manganèse-cobalt | LiNixMnyCozO2 | NMC | 3,6 – 3,7 V | 220 Wh/kg | 2000 |
| Batterie au lithium-nickel-cobalt-aluminium | LiNixCoyAlzO2 | NCA | 3,6 – 3,7 V | 250 Wh/kg | 1000 |
| Batterie au lithium fer phosphate | LiFePO4 | LFP | 3,2 – 3,3 V | 170 Wh/kg | > 4000 |
Nous avons répertorié les différentes caractéristiques et propriétés, ainsi que des informations supplémentaires sur certains modèles de batteries, dans les pages de conseils accessibles via les liens suivants.
Avantages :
Comme nous l'avons déjà mentionné, les batteries au lithium sont capables de fournir une grande quantité d'énergie. La tension par cellule individuelle et la capacité sont nettement supérieures à celles des batteries classiques. Mais les cellules offrent encore d'autres avantages, tels que :
- Rendement élevé
- Faible poids
- Puissance électrique remarquable
- Charge rapide possible
- Auto-décharge minimale
- Nombre élevé de cycles de charge
- Longue durée de vie
- Aucun effet mémoire
Inconvénients :
Les batteries Li-Ion présentent malheureusement aussi quelques inconvénients, qui n'ont toutefois pas de conséquences graves si elles sont utilisées correctement et avec précaution.
Etat de charge et plage de température
Le plus important est un processus de charge ou un état de charge correct. Celui-ci doit normalement est compris entre 30 % et 80 % afin de ne pas réduire inutilement la durée de vie prévue. Une charge à 100 % n'est utile que si la batterie est déchargée immédiatement après. Une décharge profonde doit être évitée à tout prix, car elle endommage la batterie.
Les petites cellules au lithium sont équipées de circuits de protection électroniques qui empêchent efficacement la surcharge ou la décharge profonde.
Mais la température joue également un rôle important. Les batteries au lithium ne supportent ni le froid extrême ni la chaleur intense. C'est pourquoi les grands blocs-batteries des véhicules électriques sont toujours équipés de systèmes de gestion de batterie (BMS). Un BMS surveille et optimise l'état de charge de la batterie et, associé à des systèmes de ventilation ou de chauffage, veille à maintenir une température adéquate.
Important
Pour les batteries sans dispositif de protection, telles que celles utilisées dans le modélisme, les utilisateurs doivent utiliser des chargeurs adaptés, y compris des équilibreurs, et veiller à ce qu'il n'y ait pas de décharge profonde ni de surchauffe lors de leur utilisation.
En raison de leurs caractéristiques de performance, les batteries Li-ion sont très appréciées et utilisées dans de nombreux secteurs. Voici les principaux domaines d'application :
Petits appareils
Malgré la capacité requise, leur densité énergétique élevée permet une conception très compacte, qui se traduit également par un poids réduit.
Ces batteries sont donc idéales pour alimenter en électricité les petits appareils portables tels que les smartphones, les ordinateurs portables, les tablettes, les appareils photo ou les outils électriques.
Les batteries Li-ion sont également privilégiées dans les accumulateurs d'énergie mobiles tels que les powerbanks.
Electromobilité
Le faible poids et la densité énergétique élevée jouent également un rôle important dans les véhicules tels que les voitures électriques, les vélos électriques ou les scooters électriques.
En effet, ce domaine d'application nécessite des batteries de plus en plus puissantes.
La capacité de charge élevée des cellules offre d'une part un énorme potentiel de performance aux véhicules électriques et garantit d'autre part des temps de charge très courts.
Applications industrielles
Dans le cadre de la transition énergétique, les systèmes de stockage efficaces et abordables pour l'électricité provenant de sources d'énergie renouvelables telles que le vent et le soleil deviennent de plus en plus importants.
Cela ne concerne pas seulement le stockage d'électricité dans les petites installations solaires, que l'on trouve de plus en plus souvent sur les maisons privées.
Les différents fournisseurs d'énergie utilisent également de plus en plus de grands systèmes de stockage afin de soulager les principales lignes électriques pendant les pics de consommation.
Il existe bien sûr de nombreuses autres possibilités d'utilisation des batteries Li-Ion. Leur utilisation à la place des batteries au plomb lourdes et moins efficaces, par exemple pour les chariots élévateurs ou les systèmes de transport sans conducteur, représente à elle seule un spectre d'utilisation extrêmement large, même si ce n'est là qu'une des nombreuses possibilités d'application de la technologie Li-Ion.
Quelle est la différence entre une pile Li-Ion et une batterie aux ions lithium ?
Le terme "pile" fait souvent référence à de petits éléments de stockage électrique à usage unique tandis que la batterie est par définition rechargeable. Il existe toutefois le terme "pile rechargeable" qui désigne une pile ou un accumulateur de petit format qui peut être rechargée un nombre limité de cycles. La batterie li-Ion est de plus grande taille et a une plus longue durée d'utilisation en raison d'une plus forte capacité.
Que sont les accus/batteries LiPo ?
Les accus/batteries LiPo sont basé(e)s sur la technologie aux ions lithium. Le terme LiPo signifie lithium polymère et fait référence à l'électrolyte. Dans ces batteries, l'électrolyte n'est pas sous forme liquide, mais lié à un plastique polymère gélatineux. Les batteries lithium polymère sont fabriquées dans différentes formes et certaines n'ont pas de boîtier rigide. Elles sont plutôt recouvertes d'un film spécial lors de leur production. Grâce à leur poids réduit, les batteries LiPo sont principalement utilisées dans les modèles réduits d'avions à propulsion électrique et d'autres systèmes où le poids est un facteur important. Outre leur sensibilité thermique et électrique, les batteries LiPo recouvertes d'un film ne sont pas non plus très résistantes mécaniquement. Les packs de batteries LiPo multicellulaires destinés aux appareils grand public sont souvent équipés d'un système de gestion de batterie (BMS) intégré au pack.
Que signifie le mention 7,4 V 3000 mAh 20C sur une batterie rechargeable ?
Comme une tension de 7,4 V est indiquée, il s'agit d'un bloc-batterie dans lequel 2 cellules de 3,7 V chacune sont connectées en série. La capacité de la batterie est de 3000 mAh. Cela signifie que la batterie peut fournir un courant de 300 mA pendant 10 heures. À des courants plus élevés, la valeur de capacité utilisable diminue. La valeur 20C correspond au courant de décharge maximal admissible. La lettre « C » fait référence à la capacité. Dans ce cas, le courant de décharge maximal est de 20 x 3000 mA = 60 000 mA ou 60 A. Le courant de charge maximal est souvent indiqué de la même manière. Avec un courant de charge de 2C, la batterie peut être chargée avec un maximum de 6 A.
Qu'entend-on par gestion de batterie ?
Outre la surveillance des tensions limites admissibles lors de la charge et de la décharge, le BMS assure également une répartition uniforme de la charge au sein d'un bloc-batterie. Ceci est important, car sinon, dans le cas d'un montage en série, les tensions pourraient varier d'une cellule à l'autre. Ceci est particulièrement important lors de la charge afin d'éviter une surcharge des cellules lithium-ion. C'est pourquoi les batteries de modélisme sont également équipées de connecteurs d'équilibrage spéciaux, car dans ce cas, le chargeur fait également office de BMS.
Qu'est-ce qu'une batterie au titanate de lithium ?
Dans une batterie au titanate de lithium, l'électrode en graphite habituellement utilisée dans les batteries au lithium a été remplacée par une électrode au titanate de lithium. La nanostructure à la surface permet aux ions lithium d'atteindre plus facilement l'électrode et empêche également la formation d'un revêtement de surface imperméable aux ions lithium.