Comment fonctionne une batterie rechargeable lithium-ion ?

La batterie rechargeable connue sous le nom de batterie lithium-ion (parfois abrégée en Li-Ion) est un type de batterie couramment utilisé dans l’électronique grand public. C’est actuellement l’un des types de batterie les plus populaires pour les ordinateurs portables et les téléphones portables, ainsi que les épilateurs, tondeuses, rasoirs, avec l’un des meilleurs rapports puissance/poids, sans effet mémoire et une lente perte de charge lorsqu’il n’est pas utilisé. Ces batteries peuvent être dangereuses si elles ne sont pas utilisées correctement et si elles sont endommagées et dans tous les cas, à moins qu’elles ne soient traitées avec soin, on suppose qu’elles peuvent avoir une durée de vie utile plus courte que d’autres types de batteries. Une version plus avancée de la batterie lithium-ion est la batterie lithium-polymère.

Histoire

Gilbert N. Lewis a fabriqué les premières batteries au lithium en 1912 ; les premières batteries non rechargeables ont été créées au début des années 1970. La batterie rechargeable au lithium-ion a pris encore vingt ans de développement avant d’être suffisamment sûre pour être utilisée en masse sur le marché et la première version commerciale a été créée par Sony en 1991, à la suite d’une recherche d’une équipe dirigée par John B. Goodenough.

Avantages et inconvénients

Avantages

Les batteries au lithium-ion peuvent être construites dans une large gamme de formes et de tailles pour combler efficacement les lacunes chez les appareils qui les utilisent.

Ces batteries sont également plus légères que leurs équivalents fabriqués à partir d’autres produits chimiques et sont souvent beaucoup plus légères. C’est parce que les ions lithium ont une densité de charge très élevée, la plus élevée de tous les ions qui se développent naturellement. Les ions lithium sont petits, mobiles et peuvent être stockés plus rapidement que les ions hydrogène. En outre, une batterie au lithium est plus petite qu’une batterie contenant des éléments hydrogène, comme les accumulateurs nickel-métal hydrure et avec des gaz moins volatils. Les ions nécessitent moins de stockage intermédiaire, de sorte que vous pouvez consacrer une plus grande partie du poids de la batterie à la charge qu’à la surcharge.

Les batteries Li-ion ne souffrent pas de l’effet mémoire. Elles ont également un faible taux d’autodécharge d’environ 5 % par mois, contre plus de 30 % par mois pour les batteries au nickel-métal hydrure et 20 % par mois pour les batteries au nickel-cadmium. En effet, les batteries Li-Ion, en particulier les batteries Li-Ion « stupides », n’ont pas de processus d’autodécharge au sens habituel du terme, mais souffrent d’une lente perte de capacité, décrite plus en détail ci-dessous. D’autre part, les batteries Li-Ion « intelligentes » sont lentement autodéchargeantes, en raison de la faible consommation du circuit de contrôle de tension qui y est inséré ; cette consommation est la source la plus importante d’autodécharge de ces batteries.

Inconvénients

Le principal inconvénient de la batterie lithium-ion est qu’elle présente une dégradation progressive même si elle n’est pas utilisée : elle a une durée de conservation fixe, à partir du moment de sa fabrication, quel que soit le nombre de cycles de charge/décharge.

À un niveau d’efficacité de 100 %, une batterie d’épilateur Li-ion à 25 °C, chargée à 25 %, perd jusqu’à 20 % de sa capacité par année. Cependant, la batterie d’un épilateur mal ventilé peut être exposée à des températures plus élevées, ce qui raccourcit encore sa durée de vie, en raison de la formation de dendrite au lithium. Pour cette raison, les batteries Li-ion ne conviennent pas comme source d’énergie secondaire : pour cette application, les batteries au plomb ou les batteries Ni-MH sont plus appropriées.

Le courant maximum qui peut être tiré en continu de la batterie dépend à la fois de la capacité et du type : il existe des types spéciaux pour les outils alimentés par batterie et la fabrication de modèles, où des courants élevés sont nécessaires. Dans les appareils qui nécessitent une puissance élevée (par rapport à la capacité de la batterie exprimée en A-h), les batteries Li-Ion tombent souvent en panne brusquement au lieu de montrer une diminution progressive de la durée de vie de l’appareil. En revanche, les appareils à faible consommation, tels que les téléphones portables, peuvent tirer parti de la durée de vie de la batterie.

Un seul élément Li-ion ne doit jamais être déchargé sous une certaine tension pour éviter des dommages irréversibles. Par conséquent, tous les systèmes utilisant des éléments Li-ion sont équipés d’un circuit qui éteint l’appareil lorsque la batterie est déchargée en dessous du seuil par défaut. Il devrait donc être impossible de décharger la batterie « profondément » dans un système conçu pour fonctionner correctement pendant une utilisation normale. C’est aussi l’une des raisons pour lesquelles les piles au lithium ne sont jamais vendues seules aux consommateurs, mais seulement sous forme de piles finies conçues pour s’adapter à un système particulier.

Pour éviter des dommages permanents, les batteries dont le circuit de surveillance de tension est monté à l’intérieur de la batterie (batterie dite « intelligente ») au lieu d’un équipement externe ne doivent pas être stockées pendant de longues périodes complètement déchargées car le circuit tire un petit courant de la batterie même lorsqu’il n’est pas utilisé.

Les batteries Li-ion ne sont pas aussi durables que les batteries nickel-métal-hydrure ou nickel-cadmium et peuvent être dangereuses en cas de mauvaise utilisation. Elles sont généralement plus chères.

L’un des problèmes des batteries au lithium est l’approvisionnement en matières premières : le lithium est disponible dans la nature en quantités limitées et nécessite des procédés d’extraction particulièrement compliqués et coûteux ; le marché est entre les mains de quelques fabricants : SQM, FMC et Albemarle.

Danger lié à la batterie Li-ion

La chimie des batteries Li-ion n’est pas aussi sûre que les autres : une batterie Li-ion peut exploser si elle est surchauffée ou surchargée. Une batterie au lithium-ion nécessite plusieurs systèmes de sécurité obligatoires à l’intérieur avant de pouvoir être considérée comme sûre pour une utilisation courante.

Il s’agit notamment d’un interrupteur thermique pour éviter la surchauffe en cas de surcharge et d’une languette de sécurité avec vanne d’aération pour maintenir la pression interne en dessous d’un seuil prédéfini. Malgré ces caractéristiques de sécurité, les batteries Li-ion font l’objet de fréquents rappels d’usine ; les systèmes de contrôle prennent également de l’espace utile à l’intérieur des batteries et ajoutent d’autres possibilités de défaillance. Habituellement, en cas de problèmes avec ces systèmes, la batterie devient inutilisable de façon permanente et irréversible.

Le nombre de dispositifs de sécurité peut être comparé à celui de la batterie nickel-métal-hydrure, qui ne dispose que d’un système de recombinaison hydrogène/oxygène pour éviter les dommages dus à une légère surcharge, et d’une soupape de sécurité pour éviter la surpression.

Guide de prolongation de la durée de vie d’une batterie Li-Ion

  • Contrairement aux batteries nickel-cadmium, les batteries au lithium doivent être rechargées tôt et souvent.
  • Les batteries au lithium ne doivent jamais être complètement déchargées (0%).
  • Si elles sont complètement chargés, elles doivent être utilisés dès que possible.
  • Pour le stockage des batteries lithium-ion, lorsqu’elles ne sont pas utilisées pendant une longue période, une recharge d’environ 50 % est préférable.
  • Les batteries Li-Ion doivent être conservées au frais (idéalement dans un réfrigérateur). Le vieillissement est beaucoup plus rapide à haute température. Par exemple, des températures élevées dans les voitures causent une dégradation rapide de ces batteries.
  • Selon certaines sources, les batteries Li-Ion ne devraient pas être gelées. Notez que la plupart des batteries Li-Ion gèlent à environ -40°C, beaucoup moins que la température la plus basse que la plupart des congélateurs domestiques peuvent atteindre.
  • Lors de l’utilisation d’un ordinateur portable, connecté à l’alimentation pendant de longues périodes, la batterie peut être retirée et stockée dans un endroit frais afin qu’elle ne souffre pas de la chaleur produite par l’ordinateur.

Questions de sécurité

Les batteries au lithium-ion peuvent facilement se briser, prendre feu ou exploser lorsqu’elles sont exposées à des températures élevées ou à la lumière directe du soleil.

N’ouvrez jamais le boîtier d’une batterie Li-Ion en aucune circonstance. Elles contiennent des dispositifs de sécurité : si elles sont endommagées, elles peuvent également provoquer un incendie ou une explosion de la batterie. Ces dispositifs de sécurité sont parfois inefficaces, par exemple s’il y a des contaminants à l’intérieur des batteries. Le rappel de plus de 10 millions de batteries utilisées dans les ordinateurs portables Asus, Dell, Apple, Lenovo/IBM, Panasonic, Toshiba, Hitachi, Fujitsu et Sharp par Sony à la mi-2006 était une conséquence de la contamination interne par des particules métalliques. Dans certaines circonstances, celles-ci peuvent perforer le séparateur, le court-circuiter et convertir rapidement toute l’énergie de la batterie en chaleur. Le rappel de batterie d’ordinateur portable de Dell de la mi-2006 n’était pas le premier, mais seulement le plus grand. Au cours de la dernière décennie, il y a eu de nombreux rappels de batteries au lithium-ion dans les téléphones mobiles et les ordinateurs portables en raison de problèmes de surchauffe. En décembre 2009, Dell a retiré environ 22 000 batteries du marché américain. En 2004, Kyocera Wireless a rappelé environ un million de batteries utilisées dans les téléphones.

 

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