Qu'est-ce qu'une batterie Lithium-Ion

De nos jours, les batteries Lithium-Ion sont omniprésentes dans notre vie quotidienne, propulsant nos smartphones, nos ordinateurs portables, nos voitures électriques, et bien plus encore. Mais qu’est-ce qu’une batterie Lithium-Ion exactement, et pourquoi joue-t-elle un rôle si crucial dans notre monde moderne ?

Dans cet article, nous allons plonger au cœur de cette technologie fascinante pour en comprendre le fonctionnement et les raisons de son utilisation répandue. Ces dernières sont très présentes dans les générateurs électriques, révélant ainsi leur interdépendance dans notre quête constante pour une alimentation électrique fiable et durable.

Prêts à découvrir les secrets des batteries Lithium-Ion omniprésentes dans nos générateurs électriques solaires ? Alors plongeons dans le monde captivant de l’énergie électrique !

Table of Contents

Qu'est-ce qu'une pile au lithium ?

Une batterie au lithium est un type de technologie de batterie rechargeable qui exploite les propriétés uniques du lithium, le plus léger de tous les métaux.

Les piles au lithium possèdent du lithium métallique comme matériau d’anode. Elles sont tout à fait uniques par rapport aux autres batteries en raison de leur coût unitaire élevé et de leur forte densité énergétique.

Une batterie au lithium fonctionne selon le principe de l’intercalation et de la désintercalation des ions lithium entre un matériau d’électrode positive et un matériau d’électrode négative, le type le plus courant étant la batterie lithium-ion.

Les batteries lithium-ion sont devenues de plus en plus populaires au fil des ans.

Quelle est la différence entre les batteries au lithium et les batteries au lithium-ion ?

La principale différence entre les piles au lithium et les piles au lithium-ion est que les piles au lithium-ion sont rechargeables, alors que leurs homologues ne le sont pas. Les cellules lithium-ion ont des cycles de charge/décharge qui se répètent jusqu’à des milliers de fois.

Si vous laissez ces deux types de piles sur une étagère sans les utiliser, les piles au lithium-ion dureront environ deux ou trois ans, tandis que les piles au lithium auront une durée de vie plus longue, pouvant aller jusqu’à 10 ou 12 ans.

Brève histoire de la batterie lithium-ion

L’idée de la batterie lithium-ion a été proposée pour la première fois dans les années 1970, lorsque le chimiste anglais Stanley Whittingham a inventé une batterie capable de se recharger seule avec le temps. Il a essayé d’utiliser du disulfure de titane et du lithium métal comme électrodes, mais cela a provoqué un court-circuit et l’explosion des batteries.

Au cours des années 1980, d’autres expériences menées par John Goodenough puis Akira Yoshino ont prouvé que l’élimination du lithium métal rendrait la batterie plus sûre. C’est ainsi qu’est né le développement de la batterie lithium-ion.

Dans les années 1990, la technologie li-ion a commencé à gagner les faveurs du public et sa popularité s’est rapidement accrue. C’est à cette époque que les premières cellules commerciales ont été produites par Sony Corporation. Les problèmes de sécurité posés par les batteries au lithium métal sont à l’origine du développement des batteries au lithium-ion. Bien que les batteries au lithium métal aient une densité énergétique plus élevée, les batteries au lithium-ion sont très sûres lorsqu’elles sont chargées et déchargées en respectant des consignes de sécurité spécifiques.

Aujourd’hui, les cinq principaux producteurs de batteries lithium-ion sont les suivants :

CATL (Chine)
LG Chem (Corée)
Panasonic (Japon)
BYD
Samsung SDI (Corée)

De quoi sont composées les piles au lithium ?

La cellule lithium-ion est composée de quatre éléments clés :

L’anode, qui permet la circulation du courant électrique à travers un circuit externe ; l’anode stocke les ions lithium lorsque la batterie est chargée.
Ensuite, la cathode, chargée de déterminer la tension et la capacité de la batterie ; c’est la source des ions lithium.
Ensuite, il y a l’électrolyte qui fonctionne comme le conduit des ions lithium entre la cathode et l’anode ; il est composé d’additifs, de solvants et de sels.
Enfin, nous avons le séparateur, qui est une barrière physique ayant pour fonction d’éloigner la cathode et l’anode l’une de l’autre.

Comment fonctionnent les piles au lithium-ion ?

Comme indiqué ci-dessus, le séparateur des piles au lithium déplace les ions lithium de la cathode à l’anode et vice versa à travers l’électrolyte.

En se déplaçant, les ions lithium activent les électrons libres dans l’anode, ce qui crée une charge au niveau du collecteur de courant positif. Le courant électrique circule ensuite dans l’appareil alimenté (téléphones cellulaires, ordinateurs portables, etc.) jusqu’au collecteur de courant négatif. Le flux d’électrons à l’intérieur de la batterie est bloqué par le séparateur.

Lorsque vous branchez vos appareils électroniques pour les recharger, la cathode libère des ions lithium, qui sont reçus par l’anode pour assurer la recharge de la batterie. Lors du processus de décharge, les ions lithium sont libérés par l’anode et reçus par la cathode, ce qui génère un flux d’électrons d’une extrémité à l’autre.

Composants internes d'une batterie Li-ion

Quelle est la différence entre une batterie au lithium et une batterie ordinaire ?

Si vous démontez une batterie au lithium (ce qui n’est pas recommandé), vous verrez les éléments suivants :

Les cellules Li-ion : Il peut s’agir de cellules prismatiques, cylindriques ou de cellules à poche (alias lithium polymère).
Contrôleur de l’état de charge de la batterie : Il s’agit d’un petit ordinateur qui contrôle le processus de charge de la batterie.
Prise de tension : Chargé de surveiller la capacité énergétique des cellules individuelles des batteries.
Connecteur d’ordinateur portable : Permet une circulation fluide des informations et de l’énergie dans et hors de la batterie.
Circuit régulateur et convertisseur de tension : ils maintiennent des niveaux de courant et de tension sûrs.
Capteurs de température : Ils permettent de surveiller la température de la batterie.

Une batterie lithium-ion typique a le même aspect qu’une batterie ordinaire, mais la différence réside dans la sécurité et les performances de la batterie. Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique plus élevée que les batteries ordinaires, ce qui signifie qu’elles sont capables de contenir une plus grande quantité d’énergie à taille égale.

Cette meilleure performance peut parfois poser des problèmes de sécurité, par exemple en libérant l’énergie stockée de manière explosive. En outre, les piles li-ion rechargeables ont un faible taux d’autodécharge, bien inférieur à celui des autres types de piles rechargeables, ce qui contribue à leur meilleure durée de vie.

Il n’est pas possible de recharger des piles ordinaires comme les piles au lithium-ion. De plus, la batterie lithium-ion a une tension de fonctionnement élevée et convient donc aux appareils électroniques portables tels que les MP3, les appareils photo numériques, les téléphones portables et bien d’autres encore.

Quels sont les différents types de piles au lithium ?

Oui, les appareils électroniques utilisent des piles au lithium, mais ils n’utilisent pas tous le même type de pile, car chaque appareil a une pile qui lui est compatible.

Nous allons examiner six types différents de piles au lithium. Les nombreux types de piles au lithium dépendent de réactions chimiques et de matériaux spécifiques uniques pour stocker l’énergie. Voici les types de piles au lithium dont nous disposons :

Titanate de lithium : Contrairement à d’autres chimies, ces batteries remplacent le graphite de l’anode par du titanate de lithium et utilisent le NMC ou le LMO comme chimie de la cathode. Cela permet d’obtenir une batterie dont le processus de charge est plus rapide et la durée de vie plus longue.
Oxyde de lithium, de nickel, de cobalt et d’aluminium : Ces batteries ont un long cycle de vie et fournissent une énergie spécifique élevée avec une puissance spécifique appropriée. En règle générale, elles peuvent fournir de grandes quantités de courant pendant plus longtemps.
Oxyde de lithium nickel manganèse cobalt : Ce type de batterie contient trois éléments comme matériaux de cathode (cobalt, manganèse et nickel). Le manganèse a une faible énergie spécifique, mais il est extrêmement stable, tandis que le nickel a une énergie spécifique élevée, mais n’est pas stable. La combinaison de ces deux matériaux crée donc une chimie stable avec une énergie spécifique élevée.
Oxyde de lithium et de manganèse (LMO) : Cette batterie utilise de l’oxyde de lithium et de manganèse comme matériau de cathode. Cette chimie permet de créer une structure tridimensionnelle qui augmente la gestion du courant, réduit la résistance interne et renforce le flux d’ions, tout en augmentant la stabilité thermique et la sécurité.
Oxyde de lithium et de cobalt : Les batteries à l’oxyde de lithium et de cobalt ont une faible puissance spécifique et une énergie spécifique élevée. Cela signifie qu’elles peuvent fonctionner et fournir de l’énergie pendant de longues périodes, mais qu’elles sont limitées lorsqu’il s’agit d’applications à forte charge.
Phosphate de fer lithié : La batterie lithium-fer-phosphate (lifepo4) utilise une électrode de carbone graphitique comme anode et du phosphate comme matériau de cathode. Ces piles ont une durée de vie plus longue, de bonnes performances électrochimiques et une bonne stabilité thermique.

Quel est le meilleur type de pile au lithium ?

Il existe de nombreux types de piles au lithium, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients. Elles ont également des domaines spécifiques dans lesquels elles sont extrêmement performantes.

Ainsi, vos exigences en matière de puissance, votre tolérance en matière de sécurité, votre budget et votre application vous permettront de faire le meilleur choix.

Toutefois, nous pouvons dire que les piles LiFePO4 (LFP) sont les plus sûres, avec un seuil d’emballement thermique d’environ 270 degrés Celsius (578 Fahrenheit).

Quelles sont les applications des piles au lithium ?

Il n’y a pas de limites à l’application des batteries lithium-ion dans le monde réel, car elles ont été testées par différentes entreprises et utilisées dans l’électronique portable ou les petits appareils (ordinateurs portables, caméscopes, systèmes de stockage d’énergie, et même dans un véhicule électrique). Voici les principales applications des batteries au lithium :

Blocs d’alimentation portables : Il a déjà été prouvé que les piles au lithium sont très efficaces pour alimenter nos ordinateurs portables, nos ordinateurs et nos téléphones. Elles sont également plus petites et plus légères que les batteries au plomb. La transition de la technologie existante vers un bloc d’alimentation portable plus efficace peut se faire sans stress, grâce aux options de batteries au lithium personnalisées.
Systèmes de surveillance ou d’alarme dans des lieux éloignés : L’absence d’électricité câblée limite la sécurité de la plupart des gens. Cependant, vous pouvez surveiller en toute sécurité n’importe quel endroit grâce à un système d’alarme ou de surveillance fonctionnant avec des batteries au lithium-ion.
Stockage de l’énergie solaire : En raison de leur processus de charge rapide et de leur mode de chargement, les batteries au lithium sont le choix idéal pour les panneaux solaires, car elles vous permettent d’exploiter au maximum le potentiel de stockage d’énergie de la lumière du soleil au quotidien.
Performances marines légères : Le mélange d’électricité et d’eau peut poser certains problèmes. Que vous ayez besoin d’alimenter tout votre yacht ou un petit moteur de pêche à la traîne, vous pouvez compter sur les piles au lithium pour faire le travail.
Alimentation fiable des véhicules électriques et de loisirs : Vous pouvez compter sur les piles au lithium pour alimenter votre véhicule électrique ou de loisirs, car leur taille et leur poids réduits permettent d’améliorer l’efficacité. Par conséquent, si vous envisagez d’explorer des endroits reculés et que vous voulez être en sécurité et à l’aise pendant que vous le faites, vous devriez opter pour des batteries au lithium-ion pour alimenter votre véhicule.
UPS ou alimentation de secours : Les piles au lithium étant connues pour stocker efficacement l’énergie, elles constituent le choix idéal pour un onduleur ou une alimentation de secours afin de vous protéger en cas d’instabilité ou de perte de courant.

Quelle est la durée de vie des piles au lithium ?

Tout d’abord, nous allons parler de la durée de vie d’une pile au lithium sur une étagère. Plusieurs facteurs influencent la durée de vie d’une batterie Li-ion, notamment l’état de charge, la température de la batterie et l’endroit où elle est stockée. Toutefois, la durée de vie d’une batterie au lithium-ion est assez variable. Si vous suivez les conseils d’entretien suggérés, votre batterie devrait avoir une durée de vie de 2/3 ans.

Vous pouvez également garder à l’esprit certaines choses pour aider vos batteries li-ion à durer plus longtemps. Il s’agit des éléments suivants :

La chimie du lithium-ion n’aime pas les décharges profondes, elle préfère les décharges partielles. La chimie lithium-ion est l’une des meilleures car elle n’a pas d’effet mémoire, ce qui signifie qu’une décharge partielle n’a pas d’impact sur l’efficacité de la batterie.
Comme les batteries au lithium ne vieillissent pas bien avec le temps, si vous achetez une nouvelle batterie, assurez-vous qu’elle est vraiment neuve afin d’être sûr de sa capacité énergétique.
Veillez à conserver les piles au lithium-ion à l’abri de la chaleur, car les températures élevées sont connues pour drainer et endommager le bloc-piles.

Les piles au lithium durent plus longtemps que les piles alcalines ?

La pile alcaline est une pile rechargeable connue pour perdre un peu de sa tension à chaque recharge. Comment se situe-t-elle par rapport aux piles au lithium ?

Les piles rechargeables au lithium sont connues pour avoir une meilleure durabilité que leurs homologues alcalines, puisqu’elles peuvent durer jusqu’à 10 cycles. Les piles alcalines peuvent être un choix plus rentable (un avantage qu’elles ont), mais elles ne durent pas aussi longtemps que les piles au lithium-ion en fonctionnement.

Quels sont les avantages des piles au lithium ?

Les piles au lithium-ion sont plus largement utilisées que les autres piles car elles présentent un certain nombre d’avantages par rapport aux autres technologies. En voici quelques-uns :

Elles ont été développées pour supporter de nombreux cycles de charge et de décharge.
Elles sont connues pour conserver leur charge. Une batterie lithium-ion ne perd que 5 % de sa charge chaque mois, alors que les batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) perdent environ 20 % de leur charge chaque mois.
En général, la batterie au lithium est plus légère que les autres batteries de taille identique. La raison pour laquelle elles sont si légères est que leurs électrodes sont composées de carbone léger et de lithium.
Elles ont une densité énergétique très élevée. Dans un kilogramme de batterie, une batterie au lithium peut stocker 150 wattheures. Une batterie plomb-acide stocke 25 wattheures dans le même kilogramme ; avec la technologie plomb-acide, il faudrait 6 kg pour stocker la quantité exacte d’énergie qu’un kilogramme de batterie li-ion contient. Enfin, une batterie nickel-métal-hydrure (NiMH) stocke environ 70 wattheures dans 1 kg de batterie.

Les piles au lithium présentent-elles des inconvénients ?

Les piles au lithium présentent certains risques et préoccupations dont tout le monde devrait être conscient :

Il y a une légère possibilité qu’elle prenne feu si elle tombe sur une surface solide à très grande vitesse.
Décharger complètement la batterie li-ion peut l’endommager.
Les températures élevées sont préjudiciables à sa durée de vie. Le stockage de ces batteries à des températures élevées accélère leur dégradation.
Leur dégradation commence immédiatement après leur sortie d’usine. Ainsi, la plupart des piles au lithium ne devraient durer que deux à trois ans à compter de leur date de fabrication.
Ces batteries contiennent un électrolyte inflammable capable de provoquer des incendies à petite échelle. C’est ce que l’on a constaté avec le Samsung Note 7, ce qui a conduit les fabricants à arrêter la fabrication et la production.
Les batteries au lithium ne sont pas autorisées dans les avions, car elles risquent de produire des niveaux de chaleur inhabituels et de provoquer un incendie inextinguible. C’est la raison pour laquelle les autorités aéronautiques ont interdit les piles au lithium.

Les piles au lithium sont-elles respectueuses de l'environnement ?

La fiabilité des batteries au lithium utilisées par les fabricants de voitures électriques et d’équipements électroniques est incontestable. Il n’est pas surprenant qu’elles fassent l’objet d’une forte demande et qu’elles remplacent avantageusement les piles alcalines, car elles se chargent efficacement, ont une densité énergétique plus élevée et sont, bien entendu, facilement jetables.

Les batteries de type Li-ion ne contiennent pas autant de métaux toxiques que d’autres batteries susceptibles de contenir des métaux toxiques tels que le nickel-cadmium ou le plomb. C’est pourquoi elles sont considérées comme des déchets non dangereux.

Conclusion

Maintenant que vous avez pris connaissance de toutes ces analyses et données, vous devriez tout savoir sur les piles au lithium, leur coût, leur histoire, leurs avantages et inconvénients, les choses à faire et à ne pas faire afin de prolonger leur cycle de vie et d’éviter des problèmes tels qu’une explosion.

Questions fréquemment posées

1. Les piles au lithium peuvent-elles être utilisées à la place des piles alcalines ?

Bien que les piles au lithium utilisent une technologie plus coûteuse, leur capacité à maintenir une tension élevée signifie qu’elles constituent une alternative plus performante aux piles alcalines standard.

2. Les piles au lithium fuient-elles ?

Le stockage des piles au lithium ne pose aucun problème car elles ne fuient pas. Le lithium s’enflamme au contact de l’air ou de l’eau. Elles sont moins susceptibles de fuir car les dégagements gazeux ne constituent pas un problème pour l’électrolyte liquide présent.

3. Les piles au lithium nécessitent-elles une ventilation ?

Les piles au lithium ne produisent pas de gaz de la même manière que les autres piles, mais pour éviter l’emballement thermique, vous devez leur assurer une ventilation adéquate.

4. À quelle température les piles au lithium-ion explosent-elles ?

Il peut être dangereux de chauffer une batterie au lithium pendant une longue période. Les batteries lithium-ion ont une grande capacité énergétique et, lorsqu’elles chauffent, elles libèrent le solvant organique utilisé comme électrolyte; cette chaleur peut les faire exploser et entraîner l’ensemble de la batterie. Les courts-circuits qui se produisent lorsque les bornes de la batterie entrent en contact avec des métaux peuvent également entraîner une explosion. Les piles au lithium explosent à 538 degrés.