Les batteries Lithium

Sources

Les informations qui suivent sont issues de différentes sources du web. La principale et la plus complète étant Battery Unversity.

Technologie Lithium Ion

L'appelation batterie Lithium Ion couvre en fait une famille de technologies basées sur le lithium associées à d'autres matériaux.

Voici quelques exemples, la liste n'est exhaustive.

Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2 ou LCO)

Cathode en oxyde de cobalt (environ 60%) et d'une anode en graphite. La structure est constituée de couches.
Les inconvénients de ces batteries sont une relative faible durée de vie et une faible stabilité thermique. De plus le cobalt est assez cher. (Cobalt 55$ le kg, Lithium 10$ le kg en 2017)

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4 ou LMO)

Cathode en oxyde de manganese.
Structure 3 dimensions permettant d'atteindre de très faible résistances internes et donc de forts courant de charge et de décharge.

Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 ou NMC)

Cathode combination de nickel-manganese-cobalt.
Batterie Lithium la plus courante.

Lithium Iron Phosphate (LiFePO4 ou LIFE ou LFP)

Cathode en phosphate.
Supporte des forts courants, longue durée de vie.

Lithium-polymer (LiPo)

Les batteries Lithium-polymer peuvent être des batteries LCO, NMC, LMO utilisant un électrolyte gelifié. Une majorité de ces batteries sont des Lithium Cobalt (LCO).
Je n'ai pas trouvé d'information sur la technologie des batteries LiPo utilisées en modélisme. Je ne pense pas qu'elles soient de type LCO pour des raisons de coûts et de par la tension nominale de 3.7V pour 3.6V en LCO.

Lithium-polymer HV / silicium / graphène (LiPo HV ou LiPo Graphene)

Le graphite de l'anode est remplacé par du graphène ou du silicium ou bien par les 2 mélangés. Cette solution permet d'allonger la durée de vie de la batterie ou d'augmenter la tension de charge jusqu'à 4.35V (donc l'énergie spécifique) et de réduire la résistance interne.

Article Futura Sciences

Energie spécifique

L'énergie spécifique est définie par le rapport entre l'énergie stockée et la masse de la batterie. Elle est souvent exprimée en Wh/kg bien que l'unité de l'énergie dans le système internationnal soit le joule. (1 Wh = 3600 J). La technologie Lithium permet d'atteindre des énergies spécifiques importantes.

Comparatif :

Energie specifique

A titre de comparaison, pour 1 élément LiPo 2200mAh/20C, j'ai calculé une énergie spécifique d'environ 170Wh/kg.

Efficacité 'coulombique' (Coulombic efficiency, ou CE)

Un accumulateur électrique n'est pas capable de restituer l'intégralité de l'énergie électrique qui lui a été fourni lors de la charge à cause des pertes liées aux réactions électrochimiques. Le rapport entre l'énergie restituée et l'énergie fournie restituée défini l'efficacité 'coulombique' de l'accumulateur électrique.
Les batteries Lithium font parties des accumulateurs électriques avec les meilleures CE (Efficacité > 99%).
A titre d'exemple, sur une batterie Lithium Ion format 18650, la valeur initiale de 99.1% passe à 99.5% après 15 cycles de charges / décharge. Une batterie au plomb a un CE de l'ordre de 90%. Une batterie NiCd ou NiMh a un CE de l'ordre de 90% en charge rapide et de 70% en charge lente.

Durée de vie des batteries Lithium Ion

Les cycles de charges et de décharges provoquent des échanges d'ions entre les électrodes négatives et positives. Au fur et à mesure des cycles, et du vieillissement des matériaux, les performances de la batterie décroisent. Les fabricants spécifient la durée de vie en nombre de cycles de charges et de décharges (Par exemple 500 cycles) sans indiquer la profondeur de décharge (le plus souvent 80%) ni la perte de capacité de la batterie (par exemple 30%).

Profondeur de décharge

La 'profondeur de décharge' correspond au pourcentage d'énergie consommée à partir du niveau 100% (batterie complètement chargée). Appelation anglais : DOD : Depth of discharge
Donc, par exemple : Profondeur de décharge 80% = il reste 20% dans la batterie.

Effet de la DoD sur la durée de vie :

Profondeur decharge

Nombre de cycles est donné pour une réduction à 70% de la capacité initiale. (Dégradation de la batterie)

Tension de charge

Pour un accumulateur Lithium Ion (hors LPF / LIFE), la tension varie en fonction du niveau de charge. La tension par élément est par exemple de 4.2V lorsqu'il est chargé. Cette tension de 4.2V est un compromis entre la capacité et la durée de vie de la batterie. L'utilisation à tension plus faible allonge la durée de vie de la batterie, à tension plus forte la réduit.

Tension charge

Attention : Une tension trop élevée présente un risque de feu ou d'explosion.

Phénomènes de dégradation des batteries Lithium

SEI : Solid Electrolyte Interface

Formation du film de passivation à l'interface de l'électrolyte et de l'anode.
Le résultat est une augmentation de la résistance interne réduisant la capacité à délivrer du courant de la batterie.

EO : Electrolyte Oxidation

Oxydation de l'électrolyte au niveau de la cathode.
Ce phénomène conduit à une réduction de capacité de la batterie. Une température élevée et une tension de cellule supérieure à 4.10V favorise ce type de dégradation de la batterie.

Entre SEI et EO

Pour un élément de batterie lithium ion (hors LFP), la tension neutre se situe à 3.92V.
Une tension inférieure à 3.92V favorise la passivation (SEI) et une tension supérieure favorise l'oxydation de l'électrolyte (EO).

Lithium-plating

Formation de lithium métallique sur l'anode durant la charge.
Ce phénomène est favorisé par la charge à fort courant ou à basse température. La charge a température inférieure à 0°C = 'lithium-plating' garanti ! Le 'lithium-plating' finit par créer une défaillance de la batterie.

Vaporisation de l'électrolyte

Une partie de l'électrolyte se vaporise sous l'effet par exemple d'un courant trop fort et/ou d'une température trop élevée. Phénomène très visible sur les batteries LiPo à enveloppe souple utilisées en modélisme.

Les signes de dégradation d'une batterie

- Baisse de la capacité
- Augmentation de la résistance interne : Réduit la capacité à délivrer du courant.
- Auto-décharge : Une forte autodécharge peut indiquer un problème d'intégrité mécanique.
- Sur les batteries à enveloppe souple, on peut voir le gonflement dû à la vaporisation de l'électrolyte. Ce phénomène conduit à des délaminations, des mauvais contacts entre les couches constituant la batterie. (Baisse de capacité et augmentation de la résistance interne)

Les règles pour prendre soin des batteries Lithium

- Charger les batteries à 0.5C (1C maximum), les courants de charges plus élevés dégradent les batteries
- Charger les batteries à des températures ambiantes comprise entre 10°C et 30°C (entre 5°C et 40°C au pire).
- Ne jamais charger à température inférieure à 0°C. Entre 0°C et 5°C commencer par une charge lente pour réchauffer la batterie.
- Ne jamais décharger complètement les batteries. Par exemple, conserver un minimum 20% de la capacité de la batterie.
- Ne jamais décharger les batteries en deçà de la tension mini, 3V par élément (LiPo ou LiIon).
- Réduire le temps ou la cellule est à 4.2V. Donc ne pas charger les batteries à l'avance.
- Réduire les courants de décharge : Lors de la sélection de la chaine de propulsion électrique (Moteur / batterie), pour une même puissance, préférer une tension plus élévée (nb de S) et un courant plus faible.
- Ne pas stocker les batteries déchargées ou complètement chargées.
- Stockage 'longue durée' : Tension idéale de chaque élément (LiPo ou LiIon) : 3.9V. Température : 15°C.

Pour des batteries alimentant le récepteur et les servos, s'il est acceptable de perdre un peu en capacité, limiter la tension de charge. Par exemple, certains chargeurs permettent de programmer la tension d'arrêt à 4.15V pour des LiPo ou LiIon. (Réduction de la capacité chargée d'environ 8% à 4.15V)

Il est intéressant de numéroter les batteries et de noter les valeurs de résistances internes des éléments lorsqu'elles sont neuves, et de controler ces valeurs au cours du temps. De nombreux chargeurs permettent cette mesure.

Depuis juin 2005