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Informations intéressantes sur les batteries lithium-ion

  • Was a lithium-ion-ion-accu?

  • Comment une batterie lithium-ion est-elle construite ?

  • Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?

  • Comment charger correctement une batterie lithium-ion ?

  • Combien de cycles de charge une batterie au lithium atteint-elle ?

  • Was signifie 18650 ou 14500 ?

  • Was a lithium-polymère-accu?

  • Résumé avec avantages et inconvénients

Les appareils mobiles modernes comme les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques ou les outils électriques sans fil doivent être compacts, maniables et légers. En outre, les appareils doivent avoir de longues durées de fonctionnement sur batterie. Ce sont des exigences qui ne peuvent être mises en pratique qu'avec la technologie de batterie au lithium la plus moderne.

Was a lithium-ion-ion-accu?Batterie lithium ion

Avec une batterie lithium-ion ou une batterie LiIon, il s'agit d'une mémoire rechargeable pour l'énergie électrique. En comparaison, une pile lithium-ion est conçue pour un usage unique et ne peut pas être rechargée.

Le grand avantage d'une batterie lithium-ion est sa haute densité d'énergie. En d'autres termes, il y a beaucoup de courant dans une petite batterie!

Le nom de la batterie est dérivé des ions lithium qui, lors du chargement ou du déchargement, se déplacent d'un côté ou de l'HER et se trouvent dans les matériaux d'électrode respectifs.

En raison de la tension nettement plus élevée de 3,3 à 3,8 V par cellule, une batterie lithium-ion ne convient pas pour remplacer les batteries NiCd ou NiMH classiques avec une tension de 1,2 V par cellule

Les batteries lithium-ion sont compactes et puissantes.

Comment une batterie lithium-ion est-elle construite ?

Comme toute autre batterie ou batterie classique, la batterie lithium-ion se compose d'une électrode positive (cathode), d'une électrode négative (anode) et d'un électrolyte qui sert de moyen de transport pour les ions lithium.

La structure concrète se présente comme suit :

Construction d'une batterie LiIon

Schéma de montage d'une batterie LiIon.

L'alimentation électrique des électrodes s'effectue par des couches conductrices de différents matériaux.

Pour la cathode, le raccord plus, l'aluminium (1) est utilisé comme couche de câble. Pour l'anode, le raccord négatif, le cuivre (2) est utilisé comme couche de câble.

La cathode (+ pôle) est constituée d'un oxyde de métal au lithium (3) qui peut contenir différentes parties de nickel, de cobalt ou de manganèse. Le phosphate de fer au lithium est également utilisé comme matériau de cathode.

L'anode (- pôle) se compose de carbone (4) ou plutôt de graphite structuré en couches. Au lieu du graphite, on utilise également des nanocristallines, du silicium amorphe, du titanate de lithium ou du dioxyde d'étain.

Important :
la nature et la composition des électrodes déterminent la tension et les propriétés électriques de la batterie. Mais en principe, plus la composition chimique est uniforme et pure, plus la puissance et la durée de vie de la cellule sont élevées.

Pour que les ions lithium puissent se déplacer en sens inverse et en HER comme support de charge dans la cellule, il existe un électrolyte sans eau (5) entre les électrons qui sert de moyen de transport. Différents sels, tels que l'hexafluorphosphate de lithium ou le tétrafluororborate de lithium, sont utilisés et sont dissous dans des solvants aprotiques tels que le carbonate d'éthylène ou de propylène. Pour que les processus de charge et de décharge puissent s'effectuer sans problème, l'électrolyte doit être extrêmement pur.

Pour éviter un court-circuit entre les électrodes, les électrodes sont séparées par un séparateur (6). Le séparateur se compose d'une membrane en polyoléfine microporeuse qui est perméable uniquement aux ions lithium minuscules.

Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?

Le fonctionnement doit être expliqué à l'aide d'une batterie lithium-dioxyde de cobalt.

Le processus de charge

processus de charge

Lors du processus de charge, une source de tension ou un chargeur (1) est branché sur les électrodes.

Grâce à la tension de charge, les électrons passent de la cathode (+pôle) de la batterie (2) à la connexion plus du chargeur via le câble de charge (3).

De même, les électrons se déplacent du connecteur négatif du chargeur via le câble de charge (4) vers l'anode (-pôle) de la batterie (5).

La couche d'oxyde de lithium-métal (6) se rechargerait ainsi de manière positive et la couche de graphite (7) serait négative.

Si vous regardez maintenant les chiffres d'oxydation de la couche d'oxyde de lithium-métal, vous obtenez l'image suivante :

Le lithium (8) a le nombre d'oxydation +I
cobalt (9) a le nombre d'oxydation +III
oxygène (10) a le nombre d'oxydation -II

Le lithium-dioxyde de cobalt (LiCoO2) n'est pas chargé dans cet état.

Le chargeur assure une migration d'électrons.

Les Li-ions libres passent de la cathode à l'anode par le séparateur.

Le processus de charge permet de retirer les électrons de la cathode, ce qui permet d'oxyder davantage le cobalt jusqu'au niveau d'oxydation IV.

L'oxyde se charge ainsi de manière positive. Pour faire face à cela, les lithium-ion sortent de l'oxyde, ce qui le rend encore plus non chargé en soi.

Les lithium-ion désormais libres se déplacent à travers l'électrolyte et le séparateur vers l'anode (-pôle) de la batterie.

Ils y prennent un composé d'intercalation (latin intercalare = insérer) en utilisant les électrons libres avec la structure en couches du graphite.

Lorsque tous les ions lithium sont arrivés sur le côté anode et intégrés, la batterie est complètement chargée.

Le processus de déchargement

 

Lors du déchargement, les connexions d'intercalation sont desserrées sur l'anode (-pôle).

Le lithium libère les électrons enregistrés et devient un lithium-ion chargé positivement.

Comme le lithium est un métal non noble qui libère ses électrons très facilement, ce processus s'exécute quasi automatiquement. Pour ce faire, il suffit de brancher les électrodes de la batterie sur un circuit extérieur avec consommateur.

Les électrons émis par le lithium sont dirigés vers la cathode (+ Pol) via le circuit externe de l'anode (- Pol) via le consommateur. Ils réduisent le cobalt du niveau d'oxydation IV au niveau III.

Ainsi, l'oxyde est chargé négativement et peut maintenant reprendre des ions lithium chargés de manière positive.

Et c'est exactement ce qui se passe. Après la distribution de l'électron, les ions lithium se déplacent de l'anode à travers l'électrolyte et le séparateur vers la cathode. Là, ils se reconnectent à LiCoO2.

Les Li-Ion libres se déplacent de l'anode vers la cathode.

Comment charger correctement une batterie lithium-ion ?

Accus d'appareil

Aussi belle que la forte densité d'énergie des batteries lithium-ion, les distributeurs d'énergie ont un inconvénient décisif : ils sont extrêmement sensibles à la surcharge et à la décharge profonde.

Dans les deux cas, les accumulateurs au lithium sont détruits de manière irréparable.

Pour les accus fixes dans les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables ou même les outils sans fil, cela n'a pas de problème. En effet, un système électronique approprié est utilisé dans les appareils respectifs pour recharger correctement la batterie et la protéger de manière fiable contre la décharge profonde.

Pour que cela soit garanti, il faut toujours utiliser les chargeurs de l'appareil concerné.

Cellules individuelles

Pour les cellules individuelles pour une utilisation individuelle, ces dispositifs de protection d'appareils externes sont manquants. C'est pourquoi certains fabricants équipent leurs accus de circuits de protection intelligents qui protègent efficacement la batterie en cas de mauvais traitement.

Les circuits de protection sont alors intégrés directement dans la cellule de la batterie. Mais même avec un circuit de protection intégré, l'utilisateur doit respecter les consignes du fabricant lors de la conception de la tension de charge et du marteau de charge.

Il est important de travailler avec la tension de charge correcte. En fonction des substances utilisées pour les électrodes, les accus au lithium ont des tensions nominales différentes :

Pour une batterie lithium-dioxyde de cobalt, la tension nominale est de 3,6 V.
pour une batterie lithium-dioxyde de manganèse, la tension nominale est de 3,7 à 3,8 V.
pour une batterie lithium-phosphate de fer, la tension nominale est de 3,3 V.

En conséquence, les tensions de raccordement de charge sont également différentes. En cas de doute, vous pourrez consulter les fiches techniques de la batterie.

Le circuit de protection est monté directement dans la cellule de la batterie.

Packs d'accus

Chargement d'une batterie de modélisme avec un pied d'ancrage de balancer.

Aucune protection n'est fournie pour les batteries au lithium utilisées comme batteries de propulsion dans la construction du modèle.

Ici, l'utilisateur doit s'assurer que la batterie est chargée correctement. En outre, si les cellules d'un pack d'accus sont commutées en série, il est nécessaire de s'assurer que toutes les accus ont la même tension.

C'est la raison pour laquelle les chargeurs modélistes sont équipés de ce que l'on appelle des équilibreurs.  Pendant le processus de charge, l'équilibreur décharge toujours les cellules avec la tension la plus élevée via une résistance de charge pendant un court instant, de sorte que toutes les cellules du pack de batteries présentent la même tension jusqu'à 1/100 volts.

L'image ci-contre montre la connexion de deux blocs d'accumulateurs avec plusieurs cellules. Le courant de charge s'écoule via les deux câbles externes (1) avec les fiches banane. Les câbles multiconducteurs (2) servent à la connexion au répartiteur du chargeur. Pour pouvoir charger des batteries avec différents nombres de cellules, des plaques adaptatrices (3) sont utilisées pour le connecteur d'équilibreur.

Méthode de charge

Chargeur de batterie pour deux accus

Une batterie lithium-ion est chargée à la fois sous tension et sous tension

. Cela signifie qu'au début de la charge (t1), le courant de charge est limité à la valeur maximale autorisée. Le fabricant de la batterie indique le niveau de courant de charge autorisé. Les cellules à charge rapide peuvent être chargées avec 1 C, 2 C ou même plus. 
La valeur « C » se réfère toujours à la valeur de capacité de la batterie. Si un courant de charge maximal de 2 C est autorisé pour une batterie d'une capacité de 2500 mAh, la batterie peut être chargée avec un maximum de 5 A. Même s'il peut absorber un courant beaucoup plus élevé au début du processus de charge.

Lorsque la tension de charge maximale est atteinte (t2), la régulation de la tension intervient et empêche une nouvelle augmentation de la tension de charge. Par conséquent, lorsque la tension est constante, le courant de charge est de plus en plus faible.

Lorsque le courant a atteint une valeur minimale (t3), la batterie est complètement chargée.

Représentation de la tension de charge (bleu) et du courant de charge (rouge).

Combien de cycles de charge une batterie au lithium atteint-elle ?Représentation de la tension de charge (bleu) et du courant de charge (rouge).

Le nombre de cycles de charge/décharge utilisables peut être de plusieurs centaines de cycles. Le nombre de cycles que la batterie peut réaliser en réalité dépend de nombreux facteurs :

Type et qualité de la batterie

Plus les substances utilisées sont pures et de haute qualité, plus la batterie est puissante et durable.

Température et état de charge lors du stockage

Ideal est un état de charge de 40 à 60 % pour un stockage à froid. Le stockage d'une batterie chargée en permanence dans un environnement chaud réduit considérablement la durée de vie.

Profondeur de chargement et de déchargement

Une batterie déchargée à 50 % et rechargée crée beaucoup plus de cycles qu'une décharge de 100 %. De même, il est avantageux de ne pas charger la batterie au maximum ou de la recharger immédiatement lors d'un retrait de capacité minimal.

Courants élevés

Dans la construction du modèle, des courants de charge élevés et des courants de décharge encore plus élevés sont demandés. Les charges mécaniques et thermiques associées à la cellule ont également un effet très négatif sur le nombre de cycles.

Was signifie 18650 ou 14500 ?

Batterie Li-ion

Le chiffre fournit des informations sur la forme et la taille de la batterie.

Ces chiffres sont utilisés pour désigner les modèles d'une batterie au lithium. Dans le cas du 18650, cela signifie que la batterie LiIon a un diamètre de 18 mm et une longueur de 65 mm. Le zéro à la fin décrit la forme ronde de l'accumulateur lithium-ion.

Cependant, il existe des différences dans la série 18650.

Pour certaines accus LiIon, le pôle plus est aligné avec le boîtier et pour d'autres, il est en relief ou en relief. Il existe également 18650 cellules avec extrémités de câble ouvertes qui peuvent être soudées sur des cartes ou être équipées de connecteurs appropriés.

Was a lithium-polymère-accu?

Dans le cas d'une batterie lithium-polymère ou d'une batterie LiPo, l'électrolyte liquide se trouve dans un film solide à gel à base de polymère.

Cela permet de construire des cellules plates, avec un LiPo mais également d'autres types de construction.

Les accus LiPo sont fournis sans boîtier ou gaine métallique solide et ont donc un poids très faible. C'est également la raison pour laquelle les batteries LiPo sont très populaires chez les pilotes de modèles.

Cependant, les LiPo sont ainsi extrêmement sensibles aux dommages mécaniques. De même, ces accus n'ont pas été à une température inférieure °à 0 °C et supérieure à 60 °°C.

 

Accu LiPo

Batterie LiPo de forme plate pour une utilisation dans la construction de modèles.

Résumé avec avantages et inconvénients

La technologie lithium-ion offre de nombreux avantages, mais elle présente également de nombreux inconvénients, comme le montre la présentation suivante :

Avantages :

  • Très grande densité d'énergie, bien au-dessus de celle des accus à hydrure métallique de nickel.
  • Tension nettement plus élevée (3,3 à 3,8 V) que les accus NiMH (1,2 V).
  • Format plus petit et poids réduit par rapport aux accus NIMH de même capacité.
  • Une grande capacité de charge et de courtes durées de charge sont Ideal pour une utilisation dans le domaine de la construction de modèles ou dans les machines-outils sans fil.
  • Une faible auto-décharge permet une utilisation même longtemps après la charge.
  • Les nouvelles batteries sont prêtes à l'emploi et ne doivent pas être formées.
  • Aucun effet mémoire (réduction de la capacité utilisable avec un minimum de charge et de déchargement) n'est disponible.

Inconvénients :

  • Sensibilité élevée contre la surcharge. Pour le processus de charge, il faut utiliser des chargeurs adaptés qui respectent exactement la tension de raccordement de charge.
  • Sensibilité élevée à la décharge profonde. Une surveillance de la tension doit être disponible dans l'application pour protéger la batterie contre une décharge trop importante.
  • Sensibilité élevée aux températures trop élevées et trop basses. La température de fonctionnement idéale est comprise entre 20 °et 40 °C. À des températures plus élevées et plus basses, la puissance diminue.
  • Le lithium est un métal très réactif et facilement inflammable qui est difficile à effacer en cas de panne. En cas de réaction avec de l'eau ou de dommages mécaniques, une grande quantité de chaleur est développée et l'hydrogène est facilement inflammable en plus de la solution de lithium caustiques.

Lorsqu'elles sont correctement traitées, les accus au lithium sont une source de tension sûre et puissante dont les avantages sont loin d'être les inconvénients. C'est également la raison pour laquelle les batteries au lithium sont très populaires auprès des fabricants d'appareils. Cependant, lors de l'utilisation quotidienne de ces mémoires, il faut également être conscient des risques éventuels.

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