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Le lithium est le métal le plus électropositif. De plus c'est un des métaux les plus légers qui soient.
Les accus au lithium sont devenus le type d'accu le plus utilisé. Il existe différents types d'accus, et même des piles (non rechargeables). C'est pour vous aider à vous y retrouver dans le jungle du lithium que nous avons crée ces pages.
Caractéristiques du lithium
Le lithium est le métal le plus électropositif. Associé à un autre élement peu électropositif, il permet donc de produire une tension plus élevée que les autres chimies et ceci à partir d'un seul élement: un élément lithium remplace trois éléments NiMH. Mais ce fait rend également les éléments au lithium plus dangereux que les autres types de piles et accus.
Le lithium qui est un métal très léger permet de produire des piles et accus plus légers. C'est l'idéal pour toutes les applications mobiles, des smartphones jusqu'au packs de batteries pour voitures électriques. L'atome de lithium est également petit, ce qui le rend plus mobile: c'est le lithium même qui est porteur de la charge, contrairement aux autres technlogies.
Piles au lithium
Les recherches sur la fabrication de piles et d'accus au lithium ne datent pas de hier. Les piles-bouton au lithium existent depuis les années 1980. Elles sont caractérisées par leur tension élevée (entre 3V et 3.6V), leur longue durée de vie et leur capacité élevée.
Pour en arriver là, il a tout d'abord fallu éliminer l'électrolyte à base d'eau (sur les dessins à droite, ce n'est pas de la flotte comme électrolyte). Le lithium métallique réagit en effet avec l'eau. On utilise des électrolytes basés sur la chimie organique.
Il est également possible de recharger ces éléments au lithium. Mais le lithium étant très réactif, il risque de prendre feu si la charge n'est pas effectuée correctement. L'élément ne peut pas chauffer trop fort. A éviter, donc!
Accus au lithium-ion
Finalement, les chercheurs se sont rendus compte qu'il est trop dangereux de recharger un élément au lithium métallique. Par contre, en liant ce métal dans une structure (généralement du graphite) on peut le rendre plus docile. C'est l'apparition des accus au lithium-ion, où le lithium n'est plus présent sous forme de métal, mais sous forme de composé.
Quand on lie le lithium à un autre composé, on perd naturellement en capacité, puisque la quantité de lithium est moindre par unité de volume. C'est ainsi que la capacité d'une pile au lithium métallique est plus importante que celle d'un accu au lithium-ion. N'était ce le poids plus bas et la tension plus élevée, cela n'aurait aucun sens d'utiliser des accus au lithium-ion à la place des accus NiMH qui sont totalement sûrs, qui ont une longue durée de vie et peuvent être totalement chargés et déchargés.
Composition des accus au lithium-ion
Les accus se composent de deux électrodes, l'une en graphite et l'autre sous forme de composé métallique (oxide de cobalt, phosphate de fer, oxide de manganèse, etc). Les électrodes ont une structure telle qu'elles absorbent aisément le lithium. Le graphite a une teinte noire à l'origine, mais devient doré quand il a absorbé du lithium. Le lithium passe d'une électrode à l'autre sous forme d'ion lithium.
L'électrolyte permet un passage aisé des ions de lithium, mais est un isolant électrique (contrairement aux autres types d'accus). Le courant passe dans le circuit extérieur sous forme d'électrons et dans l'accu sous forme d'ions lithium.
Caractéristiques des accus au lithium-ion
Les accus au lithium ont une tension de fonctionnement de 3.6 à 3.7V. La tension à ne pas dépasser en charge est de 4.2V et ils ne peuvent pas être déchargés en dessous de 2.5V (il s'agit du type d'accus au lithium le plus courant).
Plus l'accu est chargé, et moins on peut effectuer de cycles. La charge détruit petit à petit les structures qui absorbent les ions de lithium. Si on ne charge l'accu que jusqu'à 4.1V (au lieu de 4.2V), on obtient 90% de la capacité de l'accu, mais un doublement du nombre de charges possibles.
D'un autre coté, une décharge trop poussée n'est pas bonne non plus pour l'accu (donc une tension inférieure à 2.5V). Lors de la fabrication de l'accu, celui-ci est fabriqué en condition totalement déchargée, et puis chargé en usine. Un accu totalement déchargé doit au début être rechargé avec un courant assez faible (inférieur à 0.1C). Rechargé correctement, la décharge totale ne porte pas à conséquence, sauf pour certains accus de technologie plus ancienne.
Pourquoi donc cette limite à 2.5V? Les systèmes BMS (Battery management System) coupent même les accus dont la tension est devenue inférieure à 2.5V!
La raison est fort simple et est déjà expliquée en partie plus haut: quand on commence la recharge d'un accu totalement vide, il faut commencer avec un courant très faible. Si on utilise un courant plus important (le courant de charge nominal), la tension va directement dépasser la tension maximum, avec risque de destruction de l'accu.
Même les chargeurs qui chargent chaque élément individuellement n'ont souvent pas de limitation de courant, il travaillent seulement en mode CC/TC (courant constant/tension constante). Quand plusieurs éléments sont chargés en série, l'élément totalement déchargé va se charger trop rapidement. La tension totale reste basse (puisque le pack est déchargé), mais la tension de l'accu le plus déchargé va monter au dessus de la limite.
C'est pour éviter une telle situation qui peut être potentiellement dangereuse que les systèmes de protection déconnectent les éléments qui passent sous la barre des 2.5V.
Dans les packs pour voitures (qui contiennent de nombreux éléments) les accus ne sont jamais totalement déchargés et gardent toujours une capacité minimale de 30%. On peut ainsi commencer la charge avec un fort courant.
Stockage des accus au lithium
Les accus au lithium sont les seuls accus qui s'usent même quand on ne les utilise pas. On recommande de stocker les accus en condition moyennement chargée dans un endroit frais (mais pas humide). La plupart des accus ont un circuit de surveillance qui consomme un peu de courant, il faut donc controler la charge tous les 6 mois environ.
Le sodium au lieu du lithium
Le lithium est un métal assez rare, donc pourquoi ne pas tenter d'utiliser le sodium (Na) à sa place? Ce sont en effet deux métaux alcalins au propriétés très voisines. Les recherches sont en cours et les chercheurs ont déjà déterminé des combinaisons prometteuses. Le sodium est un peu moins électropositif que le lithium, les batteries sont donc en théories plus sûres et stables, mais la tension est légèrement moindre (-0.3V).
Si on veut stocker l'énergie des éoliennes et de panneaux solaires, il faut utiliser un autre métal que le lithium qui n'est pas assez présent dans la croute terrestre, tandis que le sodium est présent en grandes quantités dans l'eau de mer. Il n'y a pas de recherches qui se font sur l'utilisation du lithium pour le stockage de l'électricité, car il n'y a pas assez de cet élément sur terre: plus on fabrique des batteries, et plus elles deviendront chères par manque de lithium.
L'atome sodium étant plus grand que l'atome lithium, l'ion sodium a plus difficile à ce déplacer dans l'électrolyte solide. Les premières versions ne résistaient qu'un nombre de cycles limités. Actuellement on en arrive à 2000 cycles, ce qui est parfait. Contrairement au accus au lithium qui ne peuvent pas totalement être déchargés (la recharge d'un accu totalement vide doit se faire selon un protocole spécifique pour éviter un dommage irréversible), les accus au sodium peuvent totalement être déchargés.
Les accus au sodium sont le plus comparables aux accus lithium-fer-phosphate (LFP): très sûrs et une capacité moyenne. Des accus au formats 18650 existent déjà sous forme de prototype (c'est le format le plus courant, utilisé dans les ordinateurs portables et autres appareils gros consommateurs).
Des recherches sur le potassium (qui est également un métal alcalin) sont en cours. Les chercheurs se sont trop rapidement concentrés sur le lithium uniquement, alors que ces deux éléments ont plusieurs avantages par rapport au lithium. Une fois la production lancée, il serait plus facile et moins cher de fabriquer des accus au sodium ou potassium.
Piles et batteries au lithium
Pile au lithium métallique
Accu lithium-ion
Le lithium est lié au graphite qui le stabilise
Recharge des accus au lithium
La recharge des accus au lithium doit se faire selon un procédé CC/ TC: courant constant jusqu'à 4.20V, et puis tension constante. La recharge est totalement différente des accus NiMH, mais s'apparente aux batteries plomb-acide, mais avec des tensions et des courants qui doivent être mieux définis.
Pendant la période CC, le courant doit être limité à une valeur qui dépend de la température et du type d'accu. On recommande une valeur de 0.7C pour les accus LCO (les plus courants). Si on recharge avec un tel courant, il faut un système de monitoring pour réduire le courant si les accus chauffent trop. La recharge n'est plus possible quand l'accu est trop chaud: toute l'énergie est dissipée en chaleur, ce qui fait chauffer l'accu encore plus et il y a risque d'emballement thermique.
Le tension monte pendant la charge, et une fois la tension de 4.20V atteinte, la charge continue à tension constante, le courant diminuant progressivement pour devenir pratiquement nul. On estime que la charge est terminée quand le courant passe sous la barre de 0.1C. Les chargeurs intelligents diminuent le courant de charge à partir d'une tension de 4.0V pour ménager l'accu, qui est alors déjà chargé à 70% environ.
Si on charge en mode TC à 4.1V, l'accu ne sera pas totalement chargé (environ 90% de la charge nominale), mais il résistera à deux fois plus de cycles.
Le graphique à droite montre comment se déroule la charge: en bleu, le courant, en rouge la tension et en vert la charge. Au bout d'une heure environ, le chargeur passe en mode TC (il s'agit d'un accu qui permet une charge rapide).
Si la charge en mode courant constant est effectuée avec un courant plus faible, la durée en tension constante est proportionellement plus courte, mais la charge totale dure plus longtemps. Si le courant de charge est faible (de l'ordre de 0.1C pour une charge pendant la nuit), on peut directement stopper la charge quand la tension atteint 4.2V par élément.
Un truc pour faire durer l'accu de votre tablette plus longtemps:
La tablette est généralement fournie avec un chargeur spécifique qui fournit un courant de charde de 1.5A sous 5V. Il est ainsi possible de recharger l'accu en 2h30. Mais l'accu à tendance à chauffer (ce qui est très mauvais pour l'accu et réduit sa durée de vie) et le connecteur micro-usb n'est pas prévu pour un tel courant (il chauffe aussi très fort).
Il vaut mieux utiliser un petit chargeur USB 5V 500mA. Le courant de charge sera automatiquement limité, l'accu et le connecteur ne chaufferont pas. Le seul point négatif c'est que la charge complète dure maintenant une nuit.
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