Batterie lithium-ion

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

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

Historique

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

Principe de fonctionnement

La batterie lithium-ion est basée sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB) ^[2]. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate d'éthylène, de carbonate de propylène ou de tétrahydrofurane) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très 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 permettant parfois une substitution pure et simple (du Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique).
De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, notamment lors de la charge.

Ce problème de sécurité impose d'intégrer un système électronique de protection, embarqué le plus souvent 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 admissibles 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^{[réf. souhaitée]}.
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 systèmes de secours, les navires... Les sondes spatiales Galileo par exemple sont équipés de batteries Li-ion prévues pour douze ans^[3]. 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 très faible, grâce aux propriétés physiques du lithium (très bon rapport poids/potentiel électrique). Ces accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes embarqués.
• Ils ne présentent aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel
• Ils ont une faible autodécharge (10 % par mois voire souvent 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 lorsqu'elles sont rechargées par des recharges partielles; que lorsqu'elles supportent des cycles complets de décharge/recharge^{[réf. nécessaire]}.
• Sur les produits grand public, cette technique vieillit même quand on ne s'en sert pas (corrosion interne et augmentation de la résistance interne^{[réf. nécessaire]})
• Les courants de charge et de décharge admissibles 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 celui-ci 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 circuit de régulation (le BMS, Battery Management System), d'un fusible thermique et d'une soupape de décharge. Elles doivent être chargées en respectant des paramètres très 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^[4],[5],[6].

Charge et décharge

La charge se passe généralement 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 environ 80%, puis une deuxième phase à tension constante et courant décroissant pour se rapprocher des 100% de charge en environ 2H de plus. La charge est terminée lorsque le courant de charge chute en-dessous d'une valeur appelée courant de fin de charge. La tension de fin de charge des accumulateurs Li-Ion peut être de 4,1V ou 4,2V suivant la spécification du fabricant de l'accumulateur. La tolérance couramment admise est de +-0,05 V par élément, ils sont très sensibles à la surcharge et demandent une protection lorsqu'ils sont connectés en série. Les chargeurs doivent être de bonne qualité pour respecter cette tolérance. Il importe de toujours respecter la feuille de données fournie par le fabricant, qui fait état des conditions de charge de l'accumulateur (tolérance, courant de charge, courant de fin de charge, etc). Toutefois, certains éléments destinés au grand public possèdent une électronique interne qui les protège des mauvaises manipulations (surcharge, décharge profonde). En effet, la décharge doit être limitée à une tension de 3V par élément, une tension de décharge inférieure à 2,5V peut conduire à une destruction de l'élément.

Enfin, 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".

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Accumulateur lithium
• Accumulateur
• Lithium

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