La batterie Lithium-Ion, mieux comprendre pour mieux s’en servir

10 mai 2017 11:05:56

La batterie au Lithium a révolutionné l’autonomie de tous les équipements mobiles de par sa grande énergie spécifique (Wh / Kg : énergie embarquée par unité de poids) et son nombre de cycles d’utilisation. Le but suivi par cette information est de vulgariser le fonctionnement des batteries Lithium-Ion et leurs utilisations sans entrer dans un cours d’électrochimie.

Historique :

 

Année Quoi ? Qui ?
1912 Premiers travaux de recherche Gilbert Newton Levis, chimiste américain
Années 70′ Premières piles
Années 80′ Premières batteries rechargeables Bell Labs
1991 Commercialisation Professeur John Gooddenough  et SONY

 

Composition de la batterie :

 

La batterie Li-Ion est composée de lithium, élément le plus petit et le plus léger de tous les métaux. Dans le tableau de Mendeleïev, c’est un élément solide métallique et alcalin. Il dispose des propriétés électrochimiques excellentes par rapport à son poids (± 2 fois celle du Ni/Cd). Pour des raisons de sécurité, la batterie ne possède pas le lithium sous sa forme métallique (instable), mais sous la forme ionique.

La cathode (électrode positive) est composée de dioxyde de Cobalt (Co) ou de Manganèse (Mn), ou du Phosphate de fer , … (voir tableau 1)

 

L’anode (électrode négative) utilise du carbone poreux, comme  des sphères de graphites (Meso Carbon Micro Beads) ou du Titanate (LTO).

L’électrolyte, élément dans lequel vont circuler les ions entre anode et cathode, est composé d’un sel conducteur.

Un film séparateur poreux en polyéthylène ou en polypropylène va séparer les substances chimiques de l’anode et de la cathode et ne laisser passer que les ions de lithium mobiles.

La batterie est entourée d’une couche isolante. La partie positive est prolongée d’aluminium et la partie négative de cuivre.

Nous pouvons retrouver la forme physique de la batterie lithium d’une façon cylindrique, mais aussi prismatique en sac pochette, et sous toutes les dimensions.

 

 

Agencement des éléments :

 

C’est l’addition d’unités (en série ou en parallèle) qui va permettre d’adapter la batterie à l’utilisation désirée.

 

Pour débiter un courant plus élevé ou augmenter la capacité « C » (unité= mAh – milli-ampères heure) , les unités sont mis en parallèle.

Exemple : 2 batteries de 2200 mAh chacune mise en parallèle produiront 4400 mAh. Dénomination: 2P.

 

La tension nominale de votre pack batteries va dépendre du nombre d’unités mises en série.

Exemple : une batterie de 14,8 Volts = 4 éléments de 3,7 Volts en série. Dénomination: 4S.

 

 

 

Comparaison des types d’accumulateurs :

 

Performances en constante évolution :

 

Sécurités :

 

1) En tension :

La batterie lithium est sensible à la surcharge et à la décharge profonde qui peut entraîner une dégradation chimique des éléments et faire perdre en un seul coup ± 20 % de sa capacité. Pour ce faire, les éléments sont  doublés d’une électronique de management embarquée (BMS en anglais) qui va interrompre tout dépassement.

 

2) En courant :

La batterie lithium est sensible aux surcharges de courants. L’électronique (BMS) va aussi mesurer les courants de charge et de décharge et interrompre le courant en cas de dépassement.

 

3) En température :

Qui dit courant, dit échauffement. L’électronique (BMS), est accolée à l’élément pour interrompre le courant si la température est trop élevée (± 90°C).

De plus, à une température de +/- 130 °C la  membrane séparatrice va resserrer ses pores, et diminuer le passage du lithium, et donc le courant.

La nature de la carcasse extérieure de la batterie doit transférer cette chaleur sans déformation ni inflammation.

 

4) Pression :

Les éléments accumulateurs avec carcasse métalliques sont équipés d’une soupape qui s’ouvre si la pression interne est trop élevée (± 10 bars) laissant échapper les gaz.

 

5) Mécanique :

La nature chimique interne de la batterie Lithium doit être protégée de l’air et de l’eau. Au contact de ces derniers par éventrement, celui-ci peut dans certains cas s’enflammer ou exploser.

C’est pour cette raison que les éléments sont placés dans une carcasse métallique (voiture) ou en plastique (batteries amovibles de PC) ou encore insérés dans l’appareil (batteries de GSM).

L’électronique (BMS) accompagne toujours le pack et sécurise les éléments internes. Au final le niveau de sécurité est optimal et il n’y a pas plus de risque d’explosion que sur le réservoir d’une voiture à essence (qui contient des hydrocarbures qui ne demandent qu’à s’enflammer rappelons-le). Bien évidemment les véhicules subissent des crash-tests très poussés que les marques prennent très au sérieux car il en va de leur réputation.

 

Règles d’utilisation des accumulateurs lithium :

 

1) La recharge :

Contrairement à certaines idées reçues, la batterie lithium ne doit pas être « rodée » pour augmenter sa capacité.

Il est conseillé d’effectuer occasionnellement une charge lente et complète suivie d’une décharge maximale. Ceci permet à l’électronique de se recalibrer sur la capacité réelle de la batterie.

La plage de température idéale de recharge se situe entre 0 et 45 °C, avec un optimum à 20°C. En dessous, le lithium se plaque  contre les électrodes. Au-dessus, la chaleur produite par le courant de charge s’ajoute à la température de l’élément et augmente la pression interne.

Précautions : Il vaut mieux éviter les recharges rapides quand il fait vraiment très chaud.

 

2) Nombre de cycles :

On peut tabler sur ± 1000 cycles complets (indépendamment du nombre de recharges). Exemple: pour une batterie de 30 kW un cycle complet équivaut à une grande recharge de 30 kW ou du lundi au vendredi chaque jour une petite recharge de 6 kW.

Note : dans une recherche récente, une étudiante a introduit des nano-tubes  dans une électrode  de batterie et de ce fait a augmenté le nombre de cycle à ± 70 000 – A suivre … !

 

3) Dans le cas d’un stockage longue durée :

Si vous devez laisser votre voiture inutilisée pendant un long moment ne la rechargez pas complètement car une baisse de la température pourrait endommager une batterie rechargée à fond. Ne la laissez pas totalement déchargée non plus car l’électronique embarquée consomme une petite partie de l’énergie.

Comment augmenter la durée de vie de sa batterie

Conclusions :

La batterie est un élément qu’il faut comprendre pour prolonger sa durée de vie.

C’est le développement de l’électronique embarquée (BMS) dans les batteries Li-Ion qui a permis sa production et sa commercialisation en masse.

Les nombreuses recherches menées actuellement vont certainement se traduire par une augmentation des performances et une lente, mais certaine disparition des anciens accumulateurs au plomb, Ni-Cd, Ni-Mh, …

 

 

 

9 réponses à “La batterie Lithium-Ion, mieux comprendre pour mieux s’en servir”

  1. Mr,

    « Il faut éviter les petites recharges partielles qui comptent pour un cycle d’utilisation et donc accélèrent le vieillissement. » NISSAN ne semble pas d’accord avec cette assertion. Pour eux, un cycle est de 0 à 100% même en plusieurs fois. Le « biberonnage » du Lithium ne nuit pas aux batteries. Avec ma Nissan, après 6 ans, je suis à plus de 3000 recharges.

    Bonne route,
    JR

    • Bonjour Jean,

      Heureux de te lire et de pouvoir compter sur ta présence et ton attention sur le dossier. En effet, tu as absolument raison! Une erreur a dû glisser dans l’article. Il s’agit bien de biberonner le véhicule au maximum. Je te confirme que notre association a reçu la même information quant aux cycles de recharge. Un véhicule n’a épuisé un cycle que lorsque ce dernier a fait une recharge complète qu’elle soit opérée en une ou plusieurs fois. Il peut donc y avoir plusieurs recharges avant de compter « un cycle ».

      Cordialement
      Sacha Lyoubovin
      Administrateur

  2. Bonjour Jean,

    merci pour votre lecture attentive et ce commentaire très pertinent.
    En effet une erreur s’était glissée dans l’article et elle a été corrigée.

    Bien à vous

    Laurent

  3. Bonjour je possède une i miev depuis 5 ans
    Lrs 88 batteries de 50 Ah ne sont chargees qu’a 90 % 4.1 v 4.2 est le maxi .cela par le bms
    Apres 5 ans et 110.000 km et 30 % de charge chademo il reste 38 Ah merci a l app evbatmon
    Un ami qui a la meme voiture achettee la meme semaine que moi n’a parcouru que 16000 km devinez quelle est la capacite de sa batterie aujourd’hui…..37 Ah
    Pourquoi …. il la charge toujours a 100% et jamais en chademo qui elle arrete a 80%

  4. Maintenant heureux propriétaire dune tesla s 70d d’occasion je charge 80% en chademo a max 90% 4.1v
    La batterie fait encore 66.7 Kwh apres 77000km et 2 ans merci l’app tmspy
    J’en déduis que la deterioration normale est de +-2% par an quel que soit les km parcourus

    • Bonjour Eric, merci pour ces intéressantes observations.

      Difficile de confirmer ou contredire tes conclusions sur un échantillon si petit d’observations et de surcroît sans connaître les conditions exactes d’utilisation des 3 véhicules en question et si la technologie des batteries citées est strictement identique entre Tesla et Mitsubishi.

      Ce qui est le plus interpellant c’est la perte de plus de 10% de ton ami sans utiliser beaucoup son véhicule. Cette perte peut tout aussi bien être due à une dégradation suite à un refroidissement brusque de la batterie pleine (batterie chargée à bloc à 20°C dans le garage puis stockée longuement à l’extérieur par -5° sans la faire rouler). Par exemple sur ma Zoé elle refuse de recharger au delà de 95% en hiver pour éviter ce genre de souci. Je ne sais pas si c’est le cas sur la i miev qui était commercialisée il y a 5 ans.

      Dans tous les cas les constructeurs garantissent le plus souvent leur batterie sur un nombre d’années et en plus sur un certain kilométrage donc je pense en effet que les 2 peuvent jouer mais le cas de ton ami est certainement le plus suspect et hors norme contrairement à tes 2 véhicules.

      La fiabilité des batteries des modèles récents est certainement accrue par rapport aux modèles de première génération vu les garanties de plus en plus étendues proposées par les constructeurs, preuve que les technologies et la maîtrise s’améliorent.

      Bien à toi

      Laurent Wautelet (admin)

  5. bonjour
    non sa voiture ne sort pas du garage en hiver…
    mais la batterie ne charge jamais a plus de 90 pc
    la degradation est normale d’origine on a 44ah utile sur les 50 theoriques
    il y a avec le logiciel evbatmon un site qui centralise la degradation des pehv et miev et la degradation est normale
    ce que je ne digere pas cest que ni nissan ni mistu ni citroen ou pigot de donne ces info au proprietaire
    evidement cest dur de dire on vous roule sur la capacité reelle utile…..pour votre bien et le notre
    idem pour les thermiques ,, oui monsieur elle fait 125cv ….dans un labo 5 min 12 min puis boum….
    comme les super car bugati qui vident le reservoir en moins de 15 min sur circuit
    la tesla p85d est incapable de faire un tour complet du nurbourgring a fond…surchauffe

  6. Bonjour Eric,

    En effet, comme pour les thermiques et leurs chiffres trompeurs concernant les émissions réelles de polluants, les chiffres d’autonomie des véhicules électriques annoncés par les constructeurs sont surfaits. Il n’est pas de bon ton de sortir un véhicule qui n’affiche pas au minimum les mêmes performances que la concurrence et la surenchère commerciale prend malheureusement le pas sur la rigueur scientifique.

    Dans cette même FAQ il y a une question « Peut-on se fier à l’autonomie affichée par les constructeurs ? » qui donne une règle très simple pour calculer les autonomies en condition réelles à partir des chiffres annoncés par les constructeurs.

    Pour les performances sur circuit, les voitures « grand public » n’ont évidemment pas été dimensionnées pour celà (et heureusement d’ailleurs). Via quelques aménagements les voitures électriques en sont parfaitement capables. Preuve en est le championnat FE ou encore le futur championnat eGT qui débutera dans quelques mois et verra s’affronter précisément 20 Tesla Model S survitaminées et qui plus est notamment sur le mytique et exigeant circuit du Nürburgring dont tu parles.

    http://www.numerama.com/tech/226279-impressionnant-les-tesla-model-s-p100d-gt-vont-de-0-a-60-mph-en-21-secondes.html

    Bien cordialement

    Laurent Wautelet (admin)

  7. Bonjour à tous,

    Voici une vidéo pour corroborer mon article initial sur la batterie lithium.
    On y apprend entre-autre que la batterie lithium n’est pas une technologie finie, mais quelle est en plein développement.
    Les nouvelles recherches pourront encore apporter beaucoup d’améliorations : augmenter le nombre de cycles d’utilisation ainsi que la capacité, tout en dimininuant son poids et les risques à l’usage.

    La batterie électrique du futur(Société Radio-Canada)

    https://youtu.be/cem-KFSLA_Q

    Bonne vision,

    Xavier

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