Qu’est-ce qu’une batterie Lithium-ion ?

700 400 Jean-Jacques Boulet

Les batteries Lithium Fer Phosphate (LFP) et les batterie Lithium Nickel Manganèse Cobalt (NMC) font toutes les deux parties de la famille des batteries lithium-ion, batteries rechargeables (batterie secondaire) par opposition aux piles lithium-métal non rechargeables (batterie primaire).

L’absence d’effet mémoire ainsi qu’un faible taux d’auto décharge leurs confèrent beaucoup d’avantages.
L’usage des batteries Lithium-Ion est très répandu, elles équipent aujourd’hui les outils électroportatifs, téléphones portables, tablettes, ordinateurs portables, vélos, scooters, chariots élévateur, voitures, avions, etc.

champ alcalin - base de la création du lithium

Comparons les batteries Lithium Fer Phosphate LFP (LiFePO4) et les batteries Lithium Nickel Manganèse Cobalt NMC (LiNiMnCoO2).

 

Qu’est-ce que le lithium ?

lithium pur

Le lithium est un métal léger utilisé dans la fabrication de batteries de grande capacité.

Le lithium est métal alcalin situé dans le premier groupe de la classification périodique des éléments. Dans sa forme pure, le lithium est un métal mou de couleur gris argenté, qui s’oxyde très rapidement au contact de l’air et de l’eau. C’est l’élément solide le plus léger et il dispose des propriétés électrochimiques excellentes par rapport à son poids.

Comme les autres métaux alcalins, le lithium métallique réagit facilement avec l’air et avec l’eau, c’est pour cette raison qu’il est conservé dans de l’huile minérale pour le préserver de l’air.

Très réactif, le lithium est inflammable. Dans la nature, on le trouve dans des minéraux comme le quartz, l’eau de mer et le mica.

Le lithium a de nombreuses utilisations.

Les fabricants l’utilisent pour créer des céramiques ignifugées, et les médecins l’utilisent comme médicament. Il est également utilisé pour fabriquer certaines des batteries les plus performantes. Pour des raisons de sécurité, la batterie Lithium ne possède pas le lithium sous sa forme métallique (instable), mais sous la forme ionique.

 

Les batteries Lithium-ion

Il existe de nombreux types de batteries lithium-ion, mais leurs conceptions sont similaires.

Le lithium est utilisé dans la composition de la cathode du fait de son grand potentiel électrochimique. La principale différence entre les différentes batteries Lithium Ion réside dans les métaux utilisés pour fabriquer la cathode. Cela affecte considérablement leurs coûts, leurs durées de vie ainsi que leurs performances.

Certains des métaux utilisés dans la cathode, tels que le cobalt, coûtent encore plus cher que le lithium brut, c’est pourquoi il existe des variations aussi importantes du prix des batteries en fonction de leurs technologies.

L’anode (électrode négative) utilise du carbone poreux

Ci-dessous nous allons décrire les avantages et inconvénients de deux des batteries au lithium les plus récentes et les plus populaires.

 

Qu’est-ce que précisément une batterie lithium-ion ?

Les cellules lithium-ion sont constituées de cinq parties principales :

  1. Anode (électrode négative)
  2. Cathode (électrode positive)
  3. Électrolyte – L’électrolyte est l’élément dans lequel vont circuler les ions entre anode et cathode. Il est composé d’un sel conducteur.
  4. Séparateur (en polyéthylène ou en polypropylène)
  5. BMS – Carte électronique qui surveille différents paramètres pour garantir la sécurité

Comme son nom l’indique le séparateur permet d’isoler l’anode (électrode négative) de la cathode (électrode positive). Le film séparateur poreux va séparer les substances chimiques de l’anode et de la cathode et ne laisser passer que les ions de lithium mobiles.

Lorsqu’une batterie est en cours de chargement, les ions lithium se déplacent de la cathode vers l’anode. Pendant la décharge, les ions passent de l’anode à la cathode.

L’électrolyte est un milieu qui permet aux ions à circuler librement d’une électrode à l’autre, tandis que le séparateur empêche les électrons de circuler librement dans le dispositif.

Comme mentionné ci-dessus, ce qui rend vraiment ces batteries différentes est le type de métal utilisé pour fabriquer la cathode. Dans les batteries au lithium-ion, la cathode peut être constituée de quantités variables de métaux comme le nickel, le carbone, le manganèse, le fer ou le phosphate. Les différentes quantités de métaux utilisés vont modifier radicalement le comportement de chaque batterie.

 

BMS (Batterie Management System)

Les batteries Lithium sont très performantes mais leurs réactions dans des situations extrêmes doivent impérativement être contrôlées. La surveillance de chaque cellule est nécessaire grâce à une carte électronique appelée BMS (Batterie Management System).

Les situations extrêmes sont (sans que cette liste soit exhaustive) :

  • La surcharge
  • Exposition à des températures trop fortes
  • Exposition à des températures trop faibles
  • Sur-décharge suivi d’une recharge
  • Court-circuit

Le BMS agit dans ce sens :

  • Il interrompt le déchargement des cellules avant que cela ne devienne critique
  • Interrompt le chargement des cellules pour éviter la surcharge
  • Égalise la charge entre les cellules
  • Vérifie la température interne des cellules
  • Détecte les problèmes électriques
  • Protège en permanence cellule contre la surtension ou la sous-tension
  • Possibilité d’avoir en temps réel l’état de charge de la batterie

quelles sont les étapes de charge et décharge d'une batterie lithium

Puissance massique vs Énergie spécifique

La puissance massique est la puissance que peut contenir une batterie par rapport à son poids. Dans les batteries, cela se mesure en W/kg (watts par kilogramme). Ceci est important à prendre en compte car il nous indique la taille et le poids de votre batterie, en plus de la puissance totale qu’elle peut contenir. Le rapport poids/puissance est essentiel, surtout lorsque l’on cherche à miniaturiser (batterie de téléphones portables) ou lorsque l’on cherche des gains d’autonomie (voitures électriques, chariots élévateurs)
Par analogie prenons l’exemple d’une bouteille d’eau pour expliquer cela.

Imaginez une grande bouteille d’eau. La quantité d’eau que la bouteille peut contenir serait la puissance massique. Si vous pouviez stocker plus d’eau dans une bouteille plus petite, la puissance massique serait alors plus élevée.

L’énergie spécifique représente la quantité d’énergie pouvant être délivrée par la batterie par unité de masse. On compare usuellement les batteries en utilisant leur énergie spécifique exprimée en Wh/kg (Watt heure par kilogramme).

Encore une fois, pensez à cette grande bouteille d’eau contenant toute cette eau. Si vous vidiez cette bouteille, la quantité d’eau pouvant sortir par le goulot de la bouteille d’eau seraient limitée. Il faudra un certain temps pour vider complètement la bouteille.

La recherche scientifique a associé plusieurs matériaux pour produire des cellules à haute énergie permettant la création d’éléments de batteries à haute énergie. Mais il existe des variations de puissance entre les différents types de batteries lithium-ion en fonctions des métaux utilisés.

 

Quelles différences entre les batteries LFP et NMC ?

Batteries Lithium Fer Phosphate (LFP)

Les batteries au Lithium Fer Phosphate font parties d’une gamme de batteries lithium-ion utilisant le phosphate comme matériau cathodique. Les batteries Lithium Fer Phosphate possèdent des qualités intéressantes.

Certes, cette technologie ne permet pas d’atteindre les rapports capacité/poids (énergie spécifique) des technologies au Cobalt (120 Wh/kg contre 200 Wh/kg pour les lithium-cobalt).

Mais elle est d’une très grande stabilité, présentant de faibles risques d’incendie ou d’explosion, même avec un BMS élémentaire.

Cette batterie se caractérise également par le grand nombre de cycles charge-décharge admissible, environ
3 000 décharges contre quelques centaines pour la plupart des batteries commercialisées (lithium ou plomb). Elle présente de surcroît une caractéristique particulière, une sorte d’effet mémoire inversé : moins la décharge est importante, plus le nombre de cycles est important, ce qui la rend particulièrement insensible au micro-cyclage.

Pour finir, elle supporte plutôt bien les températures ambiantes extrêmes, de 0° à 60°C. Avec un BMS de qualité, c’est une batterie très fiable, capable d’assurer son service pendant de nombreuses années*.

Les batteries au Lithium Fer Phosphate présentent des valeurs d’énergie spécifique comprise entre 90 et 120 Wh/kg et une tension nominale (FEM) de 3.3 Volts.

*Source : https://www.industrie-techno.com

 

Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxyde (NMC)

Les batteries au Lithium Nickel-Manganèse-Oxyde de Cobalt ont une cathode multicouche composée de nickel, de cobalt et de manganèse.

Le cobalt est un métal cher et toxique, on tente donc de limiter son utilisation pour les applications de batteries en développant des cathodes d’oxyde de nickel. Malheureusement ces systèmes ont de gros désavantages. La cathode d’oxyde de nickel est très instable et pose des problèmes de sécurité (surchauffe).

Pour avoir une meilleure stabilité tout en conservant de bonnes propriétés énergétiques, les cathodes sont constituées d’oxydes mixtes. L’une des cathodes, les plus répandues de nos jours est constituée d’oxyde LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 (NMC). La catégorie des NMC est composée d’un ensemble d’oxydes dont les proportions peuvent varier afin d’avoir un bon compromis entre stabilité et puissance. Ce type d’électrode est largement utilisé car la batterie obtenue possède une bonne énergie spécifique et une très bonne cyclabilité*. (environ 5 000 cycles)

Les batteries au Lithium Nickel-Manganèse-Oxyde de Cobalt présentent des valeurs d’énergie spécifique comprise entre 150 et 200 Wh/kg et une tension nominale (FEM) de 3.6 Volts.

*Source : culturesciences.chimie.ens.fr

 

Quel est la meilleure batterie ?

Le marché des batteries rechargeables est en pleine expansion. La transition énergétique qui devra s’effectuer nécessitera des batteries avec une plus grande durée de vie et pouvant stocker plus d’énergie. Cette demande de plus en plus forte pousse au développement de nouveaux matériaux qui permettraient d’allier sécurité et plus grande capacité spécifique.

De nombreuses possibilités existent pour des applications portables mais ce marché est dominé par les batteries Li-ion avec des cathodes de type NMC et les batteries Li-Po.

 

Ces deux types de batteries lithium-ion ont leurs avantages et leurs inconvénients.

Les batteries Lithium Fer Phosphate sont utilisées avec des appareils portables et fixes ; elles peuvent être placés dans un téléphone portable. Les batteries Lithium Fer Phosphate peuvent être utilisées également pour alimenter des véhicules industriels offrant grâce à sa grande stabilité thermique une sécurité d’usage importante.

Les batteries au Lithium Nickel-Manganèse-Oxyde de Cobalt sont capables de fournir assez d’énergie dans le cadre d’utilisations intensives ou sur des durées plus importantes, telles que l’alimentation des véhicules. Leurs grandes capacités énergétiques en font un produit idéal dès lors que l’on recherche dans ces cas précis.

Le vainqueur de la compétition pour la « meilleure batterie » dépendra vraiment du choix que vous ferez en fonction de l’application dans laquelle vous utiliserez la batterie.

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