-
26 juin 2013 Page 1
Commercialise pour la premire fois par Sony Energitech en 1991,
la batterie lithium-ion occupe
aujourd'hui une place prdominante sur le march de l'lectronique
portable. Ses principaux avantages sont
une densit d'nergie spcifique et volumique leve (4 5 fois plus
que le Ni-MH par exemple) ainsi que
l'absence d'effet mmoire (aucun ou presque). Enfin,
l'auto-dcharge est relativement faible par rapport
d'autres accumulateurs. Cependant le cot reste important .
Nous trouverons dailleurs en fin darticle, un tableau comparatif
des performances des diffrents types de batteries utilises dans
llectronique portable.
Il existe trois sortes principales d'accumulateurs lithium :
1. l'accumulateur lithium mtal, o l'lectrode ngative est compose
de lithium mtallique (matriau qui pose des problmes de scurit)
2. les accumulateurs lithium-ion, o le lithium reste l'tat
ionique grce l'utilisation d'un compos d'insertion aussi bien
l'lectrode ngative (gnralement en graphite) qu' l'lectrode
positive
(dioxyde de cobalt, manganse, phosphate de fer).
3. Les accumulateurs lithium-polymre sont une variante et une
alternative aux accumulateurs lithium-ion, ils dlivrent un peu
moins d'nergie, mais sont beaucoup plus srs.
Qu'est-ce qu'une batterie Li-Ion ?
Une batterie Li-Ion est compose de plusieurs
cellules connectes en srie et en parallle en
fonction de la tension et des exigences de
l'appareil. Trois types diffrents de cellules de
batterie Li-Ion sont couramment utiliss :
cylindrique, prismatique et polymre ; utiliss dans
les ordinateurs portables, les tablettes et
tlphones.
Les cellules cylindriques font environ 18 mm de diamtre et 65 mm
de longueur ; ce sont les
cellules normalises 18650. Ces cellules sont frquemment utilises
dans les batteries faisant
environ 20 mm d'paisseur.
Les cellules prismatiques sont fines et de forme rectangulaire ;
les plus courantes sont les batteries
Li-Ion de 6 et 8 cellules d'environ 12 mm d'paisseur souvent
utilises dans les tablettes.
-
26 juin 2013 Page 2
Les cellules polymres sont plus minces que les cellules
prismatiques. Elles sont souvent utilises
dans les produits tels que les ordinateurs de poche et certains
ordinateurs ultra-portable, qui
ncessitent des batteries faisant moins de 10 mm d'paisseur ainsi
que dans des tlphones.
La tension dun lment Li-Ion est de 3,6 V. Cette quivalence 1
lment Li-Ion = 3 lments Ni-MH est trs intressante car elle permet
dans certains cas de faire une substitution pure et simple, du
Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avrer
catastrophique. De plus le Ni-MH est
d'une utilisation plus sre, en particulier lors de la
charge.
Ce problme de scurit impose d'intgrer un systme lectronique de
protection, embarqu le plus
souvent dans la batterie. (Il empche une charge ou dcharge trop
profonde, une surchauffe ou une
lvation de temprature : sinon le danger peut aller jusqu'
l'explosion de l'lment ou lincendie).
Les systmes de scurit (BMS):
Une partie des dispositifs de scurit de la batterie est
intgre
directement dans l'lment : le fusible PTC. Il contient des
dtecteurs
de pression et de temprature qui dsactivent l'lment en cas
d'lvation anormale de l'un des deux facteurs. Sur certaines
batteries,
ce fusible se rinitialise quand l'alimentation est coupe et que
la
temprature et la pression retombent des niveaux acceptables.
Par souci de scurit, des constructeurs prfrent placer un fusible
destructible qui rend l'lment
inutilisable aprs surchauffe ou surpression. Outre ces lments,
la batterie intgre aussi de l'lectronique
prenant en charge d'autres systmes de scurit.
On y trouve un dtecteur de tension maximale qui coupe la charge
avant qu'elle n'atteigne une tension
suprieure 4,1 volts ; franchir ce palier la dtruirait, avec un
risque d'inflammation. A l'inverse, un autre
capteur coupe la batterie avant qu'elle ne se dcharge sous les 3
volts. Ce plancher descend parfois 2,5
volts, limite minimale avant que la batterie ne rende l'me et
devienne inutilisable... sans autre risque. Ces
deux scurits sont rinitialises aprs la mise hors tension.
A celles-ci, les constructeurs ajoutent gnralement une dtection
des courts-circuits et parfois un fusible
thermique redondant celui des lments. Sans ces protections, la
surcharge, l'chauffement, ou le court-
circuit d'une batterie au lithium-ion provoqueraient la
formation de gaz organiques qui s'enflamment
violemment sous l'effet de la chaleur. Mais il faut croire que
les systmes de scurit sont trs efficaces ;
rares sont les accus qui en arrivent de telles extrmits. Do
limportance de la qualit de fabrication
de la batterie.
-
26 juin 2013 Page 3
Les diffrents types de batterie Lithium. Avantages ;
inconvnients :
Batterie lithium-ion : La plus utilise actuellement dans les
ordinateurs portables, les tablettes, les tlphones portables mais
aussi
dans le matriel de bricolage. Elle se prsente sous plusieurs
formes comme indiquer plus haut suivant
lutilisation que lon veut en faire. Avantages :
Possde une haute densit d'nergie pour un poids trs faible, grce
aux proprits
physiques du lithium (trs bon rapport poids/potentiel
lectrique). Ces accumulateurs
sont donc trs utiliss dans le domaine des systmes embarqus.
Ne prsente aucun Effet mmoire contrairement aux accumulateurs
base de nickel
Ne ncessite pas de maintenance.
Prsente une faible autodcharge (5 10% par mois) Ces
caractristiques font de cette batterie lune des meilleures
solutions actuelles pour
alimenter en lectricit les appareils nomades (appareil photo,
tlphone mobile,
tablettes, PC) ou les vhicules (voiture hybride, voiture
lectrique). Inconvnients :
La profondeur de dcharge : ces batteries s'usent moins vite
lorsqu'elles sont recharges tous les 10% que lorsqu'elles le sont
tous les 80% (prfrez donc charger souvent votre
tlphone portable ou votre PC batterie lithium)
Cette technologie s'use mme quand on ne s'en sert pas (corrosion
interne et
augmentation de la rsistance interne d'o une dure de vie de 2-3
ans)
Les courants de charge et de dcharge admissibles sont plus
faibles qu'avec d'autres
technologies
Il peut se produire un court-circuit entre les deux lectrodes
par croissance dendritique
de lithium
L'utilisation d'un lectrolyte liquide peut prsenter des dangers
si une fuite se produit et
que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau
Cette technologie mal utilise prsente des dangers potentiels :
elles peuvent se
dgrader en chauffant au-del de 80 C en une raction brutale et
dangereuse. Il faut
toujours manipuler des accumulateurs lithium-ion avec une extrme
prcaution, ces
batteries peuvent tre explosives. Faites particulirement
attention lors de la charge de la
batterie : utilisez toujours le chargeur qui est fourni avec
lappareil. Et comme avec tout accumulateur : Ne mettez jamais en
court-circuit l'accumulateur, n'inversez pas les
polarits, ne surchargez pas et ne percez pas le botier
Utilisation entretien :
Ne pas faire de dcharge profonde la recharger avant quelle ne
soit 25 ou 30% de charge rsiduelle.
Ne pas stocker les batteries trop longtemps sans les
utiliser
Nombre de cycles de charge/dcharge: 500 1000
Stocker la batterie temprature ambiante (les constructeurs les
stockent vers 15)
Ne pas dcharger compltement la batterie avant de la stocker.
La charger aux environs de 30 50% avant de la stocker.
La recharger une fois par mois 50% si on ne lutilise pas. Dure
de vie depuis sa fabrication : de 2 3 ans mme sans sen servir. Si
le PC reste branch constamment sur le secteur il est prfrable
denlever la batterie pour viter la surchauffe due la chaleur dgage
par le PC.
Ne pas exposer la batterie des tempratures leves pendant de
longues priodes. Toujours utiliser le chargeur dorigine car elles
sont trs sensibles au mode de charge Toujours utiliser des
batteries de bonne qualit avec toutes les scurits.
-
26 juin 2013 Page 4
Mode de charge de la plus part des PC :
Conformment aux recommandations des fournisseurs de cellules de
batteries et aux pratiques
recommandes, l'ordinateur ne continue pas de charger la batterie
une fois qu'elle est entirement charge
100 %. Une fois la batterie charge 100 %, le bit d'interruption
de charge est dfini, ce qui empche le
chargement de la batterie. La batterie n'limine pas le bit
d'interruption de charge tant que l'indicateur de
niveau de charge ne pas tombe au-dessous de 94 %. Lorsque
l'indicateur de charge de la batterie passe en
dessous de 94 %, le bit de charge est dfini et la batterie
commence se charger avec l'adaptateur secteur
connect l'ordinateur portable. Si l'adaptateur secteur est
dconnect entre les niveaux 94 % et 100 %, le
bit de charge ne sera pas dfini et l'ordinateur ne chargera plus
la batterie.
La charge des batteries :
Les batteries lithium-ion polymre disposent d'une haute densit
de puissance qui vous offre une grande
autonomie dans un botier lger. Et vous pouvez recharger une
batterie lithium-ion polymre quand bon
vous semble, sans qu'il soit ncessaire d'effectuer un cycle de
charge ou de dcharge complet.
Charge standard
La plupart des batteries lithium-ion polymre utilisent une
charge rapide pour recharger votre appareil
80 % de sa capacit, puis passent en charge lente. Cela reprsente
environ deux heures pour recharger un
PC 80 % de sa capacit, puis deux heures de plus pour atteindre
sa pleine charge si vous ne l'utilisez pas
en cours de charge. Les batteries lithium-ion peuvent tre
recharges un grand nombre de fois, mais un
nombre limit, dfini en fonction du "cycle de charge".
Cycle de charge.
L'utilisation et la recharge d'une batterie 100 % de sa capacit
correspondent un cycle de charge
complet.
Un cycle de charge correspond l'utilisation de l'intgralit de
l'nergie de la batterie, mais pas forcment
sous la forme d'une charge unique. Vous pouvez par exemple
utiliser votre appareil pendant plusieurs
heures un jour, et utiliser la moiti de la batterie, puis le
recharger compltement. Si vous faites la mme
chose le lendemain, seul un cycle de charge est compt, pas deux.
Il peut donc vous falloir plusieurs jours
pour aller au bout d'un cycle. Chaque fois que vous terminez un
cycle de charge, les capacits de la batterie
diminuent lgrement, mais vous pouvez accomplir de nombreux
cycles avec la batterie de votre portable,
avant que sa batterie ne soit rduite 80 % de sa capacit
d'origine.
-
26 juin 2013 Page 5
En rsum :
Lors de la premire utilisation, la batterie est livre charge
environ 40%. (Si elle na pas t stocke trop longtemps)
Si vous utilisez votre PC sur le secteur vous pouvez mettre en
place votre batterie et utiliser votre
ordinateur. Elle se chargera automatiquement et stoppera la
charge lorsquelle sera termine.
Si vous devez utiliser votre ordinateur sur batterie, la mettre
en charge environ 4 heures avant de lutiliser.
Si vous utilisez trs longtemps (plusieurs jours) votre
ordinateur sur secteur, il est prfrable denlever la batterie cause
de la chaleur dgage par le PC et qui est nfaste pour la
batterie.
Bien suivre les conseils dentretien indiqus plus haut.
Batterie Lithium-Polymre (Li-Po)
Appellation commerciale du Li-ion polymre o l'lectrolyte est
un polymre glifi.
Attention certaines batteries Li-Po sont vendues sans circuit
de
protection et doivent donc tre manipules avec une grande
prcaution.
La batterie Li-Po utilise une chimie semblable aux batteries
Li-
ion et a des caractristiques proches mais possdent tout de
mme quelques diffrences.
Avantages des Li-Po/Li-ion
Batterie pouvant prendre des formes fines et varies (carte de
crdit)
Batterie pouvant tre dpose sur un support flexible
Faible poids (le Li-Po permet parfois d'liminer l'enveloppe de
mtal lourde)
Plus sre que les Li-Ion (plus rsistante la surcharge et aux
fuites d'lectrolytes)
Plus de cycles de vie
Faiblesse des Li-Po/Li-ion
Densit nergtique plus faible que les Li-ion
Plus cher que le Li-ion (pour le moment)
Charge soumise a des rgles strictes sous peine de risque
d'inflammation.
Lithium-air
La pile lithium-air met en uvre le couple lithium-dioxygne qui
offre une densit nergtique trs leve (jusqu' 5000 Wh/kg). Cela est d
au fait d'une part, que l'un des composants (l'oxygne) reste
disponible et
inpuisable sans tre stock dans la pile (comme dans la plupart
des piles air), mais surtout la faible
masse atomique et aux forts potentiels redox du lithium et de
l'oxygne. Dlivrant une tension de 3,4 V, elle
prsente toutefois certains inconvnients : corrosion, ncessit de
filtres (exige un air trs pur) et faible
puissance spcifique (100 W/kg). Si les piles sont dj
commercialises depuis plusieurs annes (en
particulier pour les piles d'appareils auditifs), les premiers
modles rechargeables sont rcents. La recherche
reste donc trs active dans ce domaine.
-
26 juin 2013 Page 6
Lithium-phosphate
Cette version, plus rcente, a une tension un peu plus faible
(~3.3V) mais se veut plus sre, moins toxique
et d'un cot moins lev. En effet, le prix des batteries lithium
ion provient en grande partie des matriaux
utiliss la cathode, qui contient du cobalt et/ou du nickel,
mtaux trs chers.
Pour un dveloppement industriel dans le vhicule lectrique
(contenant de l'ordre de 30kWh de batteries),
une baisse de prix est imprative. Le cot d'une batterie Li-ion
standard et en effet de plus de 1000 / kWh et devrait tre abaiss
sous 500 / kWh pour atteindre ce march.
Dans une batterie Lithium technologie phosphate, les cathodes
standard (LiCoxNiyAlzO2) sont remplaces
par le phosphate de fer LiFePO4, matriau peu cher, car ne
contenant pas de mtaux rares, et de plus non
toxique contrairement au cobalt. En outre cette cathode est trs
stable et ne relache pas d'oxygne
(responsable des explosions et feux de batteries Li-ion) la
rendant plus sre.
Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de
leur dure de vie long terme des
tempratures leves, car il semblerait que la dissolution du fer
(favoris par la temprature) nuise la
cyclabilit de cette batterie.
Lithium Mtal Polymre (LMP)
Elle se prsente sous forme d'un film mince enroul. Ce film
d'une paisseur de l'ordre d'une centaine de micromtre (un
millionime de mtre), est compos de 5 couches :
Isolant.
Anode : feuillard de lithium
Electrolyte : compos de polyoxythylne (POE) et de
sels de lithium (dans le cas de la batterie de la socit
Batscap).
Cathode : compose de d'oxyde de vanadium, de carbone et de
polymre (dans le cas de la batterie
de la socit Batscap).
Collecteur de courant : feuillard de mtal, permettant d'assurer
la connexion lectrique.
Caractristiques
La densit massique est de 110 Wh/kg. Pour comparaison Elle
contient presque 3 fois plus d'nergie que les
batteries au plomb (~40 Wh/kg) poids gale car la structure en
film mince est lgre et maximise la
surface de stockage utile d'nergie.
Il n'y a pas d'effet mmoire, on n'a donc pas besoin de vider
compltement l'accumulateur avant de la
recharger.
Dure de vie annonce de l'ordre de 10 ans.
Pour un fonctionnement optimal, l'lectrolyte a besoin d'tre
maintenu une temprature autour de 85C.
Les autres types de batteries :
Les anciens types de batteries utilises sont :
Les batteries au plomb ou au plomb glifi Les batteries au nickel
: nickel-cadmium (Ni-Cd) et nickel-mtal hydride (Ni-Mh)
-
26 juin 2013 Page 7
Tableau comparatif et spcifications des diffrents types de
batteries :
1) La rsistance interne d'une batterie varie en fonction de
milliampres-heure (mAh) , le cblage et le
nombre de cellules. Le circuit de protection des batteries
lithium-ion ajoute environ 100 mV.
2) La taille des cellules et la conception dtermine la rsistance
interne.
3) La vie de cycle est base sur une batterie qui est entretenue
rgulirement.
4) Le nombre de cycle est bas sur la profondeur de dcharge
(DoD). Une dcharge superficielle
amliore la dure de vie.
4
-
26 juin 2013 Page 8
5) Lauto-dcharge est plus leve immdiatement aprs la charge. NiCd
perd 10% dans les 24
premires heures, puis diminue 10% tous les 30 jours. Une
temprature leve augmente l'auto-
dcharge.
6) Les circuits de protection internes consomment gnralement 3%
de l'nergie emmagasine par
mois.
7) La tension traditionnelle est 1.25V, 1.2V est plus couramment
utilis.
8) Une faible rsistance interne rduit la chute de tension sous
charge et Li-ion est souvent class plus
haut que 3.6V/cell. Les cellules marques 3.7V et 3.8V sont
entirement compatibles avec 3.6V.
9) Capable de fortes impulsions de courant, a besoin de temps
pour rcuprer.
10) Ne chargez pas vos batteries Li-ion en dessous de zro
11) La maintenance peut tre sous la forme d'galisation du niveau
dlectrolyte ou de graissage des
bornes pour viter la sulfatation.
12) Seuil mini : si moins de 2.20V ou maxi : si plus de 4.30V
pour la plupart Li-ion; diffrents seuils de
tension s'appliquent pour les batteries lithium-fer-phosphate.
E
En rsum :
Batteries lithium-ion (Li-Ion) :
Dure de vie : 500 1000 cycles complets, de 2 3 ans partir de sa
fabrication.
Charge ; dcharge : Ne supporte pas la surcharge ni la dcharge en
dessous de son seuil. Peut tre charge
tous moments (il vaut mieux la charger plus souvent). Temps de
charge complet denviron 3 4 heures.
Les charges rapides se font uniquement sur le premier palier
80%. Lautodcharge est de 5 10% par
mois environ.
Tension de la batterie : llment de 3,6V peut tre charg 3,7V ou
3,8V en fonction de la rsistance
interne de la batterie sans problme.
Scurit : en raison des risques dexplosion ou dincendie en cas de
mauvaise utilisation il faut utiliser des
batteries bien protges par leur systme de scurit et utiliser le
chargeur dorigine.
Nickel- cadmium (Ni-Cd) :
Dure de vie : environ 1000 cycles ou 8 ans.
Charge ; dcharge : pour une batterie vide charge C/10 (C=
courant nominal) pendant 14 heures. La
batterie est charge lorsque chaque lment fait 1,4V. effet mmoire
en cas de charge partielle rpte. Ne
jamais dcharger un pack daccumulateur 0V
Stockage : dcharg de prfrence avec cycle charge-dcharge tous les
6 mois pour les maintenir. Un
accumulateur neuf ou stock depuis longtemps doit subir plusieurs
charges dcharges pour retrouver sa
capacit nominale.
Nickel-mtal hybride (Ni-Mh) :
Dure de vie : 300 500 cycles ou 8 ans.
Charge ; dcharge : charge identique la Ni-Cd, ne prsente que peu
deffet mmoire mais ne supporte
pas la surcharge ; demande un chargeur adapt leurs
caractristiques. Dcharge : attention ! llment se
dtruit en dessous de 2,5V.
Stockage : ltat charg.
sources : H.P. ; Apple ; battery university ; collge de
France
