Batterie lithium-ion

Une batterie lithium-ion, ou accumulateur lithium-ion est un type d'accumulateur lithium.

Ses principaux avantages sont une densité d'énergie élevée (densité massique deux à cinq fois plus que le Ni-MH par exemple) mais aussi l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'auto-décharge est assez faible comparé à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux dispositifs de petite taille^[1].

Histoire

Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium-ion occupe actuellement une place prédominante sur le marché de l'électronique portable.

Un navire japonais (Ishin-I de Mitsui OSK Lines, partiellement solaire) devait en 2012 être équipé de batteries Li-ion d'une capacité de 3.000 kWh pour accumuler l'électricité produite par les capteurs (panneaux photovoltaïques pour une puissance totale de 200 kW) ^[2]

Principe de fonctionnement

La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus fréquemment un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB) ^[3]. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes particulièrement réactives.

La tension nominale d'un élément Li-Ion est de 3, 6 V ou 3, 7 V (selon la technique).
Cette équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH est intéressante car donnant la possibilité quelquefois une substitution pure et simple (du Li-Ion par du Ni-MH seulement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique).
De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, dont lors de la charge.

Ce problème de sécurité impose d'intégrer un dispositif électronique de protection, embarqué le plus fréquemment dans chaque élément au lithium (Il empêche une charge ou décharge trop profonde : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément).
Les courants de charge et de décharge acceptables sont aussi plus faibles qu'avec d'autres techniques.

Enfin, un autre défaut : Dans les batteries grand public, les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation ; Quel que soit le nombre de charges/décharges, leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ deux ou trois ans après fabrication.
Cependant, certains accumulateurs Li-ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) durent jusqu'à 15 ans, grâce à une chimie plus travaillée et une gestion électronique poussée. Ils sont utilisés en aéronautique, dans les véhicules hybrides, les dispositifs de secours, les navires... Les sondes spatiales Galiléo par exemple sont équipés de batterie Li-ion prévues pour douze ans ^[4]. L'utilisation de la technique Li-ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.

Avantages des accumulateurs lithium-ion

• Ils possèdent une haute densité d'énergie pour un poids particulièrement faible, grâce aux propriétés physiques du lithium (très bon rapport poids/potentiel électrique). Ces accumulateurs sont par conséquent particulièrement utilisés dans le domaine des dispositifs embarqués.
• Ils ne présentent aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel
• Ils ont une faible autodécharge (10 % par mois ou alors fréquemment moins de quelques % par an !)
• Il ne nécessitent pas de maintenance
• Permettent une meilleure sécurité que les batteries purement lithium, mais nécessitent toujours un circuit de protection.

Faiblesses des accumulateurs lithium-ion

• La profondeur de décharge : ces batteries vieillissent moins vite quand elles sont rechargées l'ensemble des 10 % que quand elles le sont l'ensemble des 80 %.
• Sur les produits grand public, cette technique vieillit même lorsque on ne s'en sert pas (corrosion interne et augmentation de la résistance interne)
• Les courants de charge et de décharge acceptables sont plus faibles qu'avec d'autres techniques.
• Il peut se produire un court-circuit entre les deux électrodes par croissance dendritique de lithium.
• L'utilisation d'un électrolyte liquide présente des dangers si une fuite se produit et que ce dernier entre en contact avec de l'air ou de l'eau.
• Cette technique mal utilisée présente des dangers potentiels : elles peuvent se dégrader en chauffant au-delà de 80°C en une réaction brutale et dangereuse. Il faut toujours manipuler les accumulateurs lithium-ion avec une extrême précaution, ces batteries peuvent être explosives. Et comme avec tout accumulateur : ne jamais mettre en court-circuit l'accumulateur, inverser les polarités, surcharger ni percer le boîtier.

Pour éviter les problèmes, ces batteries doivent toujours être équipées d'un circuit de protection, d'un fusible thermique et d'une soupape de décharge. Elles doivent être chargées en respectant des paramètres particulièrement précis et ne jamais être déchargées en dessous de 2, 5 V par élément.

Plusieurs constructeurs comme Nokia et Fujitsu-Siemens ont lancé un programme d'échange de batteries suite à des problèmes de surchauffe sur certaines batteries qu'ils ont vendues^{[5], [6], [7]}.

Charge et décharge

Les accumulateur Li-ion de 3, 6 V et 3, 7 V doivent être chargés respectivement à 4, 1 V et 4, 2 V. La tolérance fréquemment admise est de +-0, 05V par élément, ils sont particulièrement sensibles à la surcharge et demandent une protection quand ils sont connectés en série. Les chargeurs doivent être de bonne qualité pour respecter cette tolérance et ne sont pas compatibles entre élément 3, 6 V et 3, 7 V, cependant certains éléments destinés au grand public possèdent une électronique interne qui les protège des mauvaises manipulations (surcharge, décharge profonde). La charge se passe le plus souvent en deux phases, une première phase à courant limité de l'ordre de C/2 à 1C (C étant la capacité de l'accumulateur), cette phase permet une charge rapide jusqu'à à peu près 80%, puis une deuxième phase à tension constante et courant décroissant pour se rapprocher des 100% de charge en à peu près 2H de plus. La décharge doit être limitée à une tension de 3V par élément, une tension de décharge inférieure à 2, 5 V peut conduire à une destruction de l'élément. Les accumulateurs Li-ion ne doivent pas être confondus avec les piles Lithium qui ne sont pas rechargeables, la confusion est entretenue par un terme anglophone commun "Battery".

Voir aussi

Liens externes

Bibliographie

Notes et références

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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