L'élément clé de la mobilité des appareils électroniques est la batterie rechargeable (pile). Les demandes croissantes visant à garantir la plus grande autonomie possible stimulent la recherche continue dans ce domaine et débouchent sur de nouvelles solutions technologiques.
Une alternative aux batteries Ni-Cd et Ni-MH largement utilisées a été introduite, d'abord les batteries au lithium, puis les batteries lithium-ion plus avancées.
Contenu
Histoire
Les premières batteries de ce type ont vu le jour dans les années 1970. Ils ont été immédiatement demandés en raison de leurs performances améliorées. L'anode de la cellule était constituée du métal lithium, dont les propriétés ont permis d'augmenter la densité d'énergie. C'est ainsi que les batteries au lithium ont été développées.
Les nouvelles batteries présentaient un inconvénient majeur : un risque accru d'explosion et d'inflammation. La raison en était la formation d'un film de lithium à la surface des électrodes, ce qui entraînait une instabilité de la température. À la charge maximale, la batterie pourrait exploser.
Un perfectionnement de la technologie a conduit à l'abandon du lithium pur dans les composants de la batterie en faveur de l'utilisation d'ions chargés positivement. La batterie lithium-ion s'est avérée être une solution efficace.
Ce type de batterie présente une marge de sécurité plus élevée en raison d'une densité énergétique légèrement inférieure, mais les progrès technologiques ont permis de minimiser cet inconvénient.
L'appareil
L'introduction des batteries lithium-ion dans l'électronique grand public a connu une percée avec le développement d'une batterie dont la cathode est constituée d'un matériau carboné (graphite) et l'anode d'oxyde de cobalt.
Le processus de décharge élimine les ions de lithium du matériau de la cathode et les incorpore dans l'oxyde de cobalt de l'électrode opposée ; pendant la charge, le processus se déroule en sens inverse. De cette façon, les ions de lithium créent le courant électrique en se déplaçant d'une électrode à l'autre.
Les batteries Li-Ion sont produites en modèles cylindriques et prismatiques. Dans le modèle cylindrique, deux rubans d'électrodes plates séparés par un matériau imprégné d'électrolyte sont enroulés et placés dans un boîtier métallique étanche. Le matériau cathodique est appliqué sur une feuille d'aluminium et le matériau anodique sur une feuille de cuivre.
La conception prismatique de la batterie est obtenue en empilant des plaques rectangulaires les unes sur les autres. Cette forme de la batterie permet de densifier la disposition de l'appareil électronique. Les piles prismatiques sont également disponibles avec des électrodes enroulées, torsadées en spirale.
Fonctionnement et vie
Le fonctionnement prolongé, fiable et sûr des batteries au lithium-ion dépend d'une utilisation appropriée. Dans le cas contraire, non seulement la durée de vie de la batterie est réduite, mais cela peut également avoir des conséquences négatives.
Opération
L'exigence clé pour le fonctionnement des batteries Li-Ion est la température - la surchauffe doit être évitée. Les températures élevées peuvent causer des dommages maximaux, et la surchauffe peut être causée par une source externe ainsi que par des pratiques de charge et de décharge stressantes.
Par exemple, un chauffage à 45°C réduit jusqu'à deux fois la capacité de la batterie à tenir une charge. Cette température peut facilement être atteinte en exposant l'appareil au soleil pendant de longues périodes ou en faisant fonctionner des applications gourmandes en énergie.
Si le produit surchauffe, il est conseillé de le placer dans un endroit frais, de préférence avec la batterie éteinte et retirée.
Dans la chaleur de l'été, il faut utiliser le mode d'économie d'énergie de la batterie, disponible sur la plupart des appareils mobiles, pour qu'elle fonctionne au mieux.
Les basses températures ont également un effet négatif sur les batteries Li-Ion. À des températures inférieures à -4°C, la batterie ne peut plus fournir sa pleine capacité.
Toutefois, le froid n'est pas aussi dommageable pour les batteries Li-Ion que les températures élevées et, le plus souvent, il ne provoque pas de dommages permanents. Bien que la batterie retrouve pleinement ses performances après s'être réchauffée à température ambiante, il ne faut pas oublier la perte de capacité dans le froid.
Une autre règle de base pour les batteries Li-Ion est de ne pas les laisser se décharger profondément. De nombreuses générations précédentes de batteries avaient un effet mémoire qui nécessitait de les décharger à zéro puis de les recharger complètement. Les batteries Li-Ion n'ont pas cet effet. Les décharges complètes occasionnelles n'ont pas d'effets négatifs, mais les décharges profondes continues sont nocives. Il est recommandé de connecter le chargeur à un niveau de charge de 30 %.
À vie
Une utilisation incorrecte des batteries Li-Ion peut réduire leur durée de vie d'un facteur 10 à 12. Ce terme est directement lié au nombre de cycles de charge. On estime que les batteries Li-Ion peuvent être utilisées entre 500 et 1000 cycles à l'état complètement déchargé. Un pourcentage plus élevé de charge restante avant la prochaine charge augmentera considérablement l'autonomie de la batterie.
Comme la durée de vie des batteries Li-Ion est en grande partie déterminée par les conditions de fonctionnement, il n'est pas possible de donner une durée de vie exacte pour ces batteries. En moyenne, vous pouvez espérer qu'une batterie de ce type dure de 7 à 10 ans si les conditions requises sont respectées.
Processus de chargement
Évitez de brancher la batterie sur le chargeur pendant une période excessive lors de la charge. La batterie lithium-ion fonctionnera normalement avec une tension ne dépassant pas 3,6 volts. Les chargeurs appliquent 4,2 V à l'entrée de la batterie pendant le processus de charge. Si le temps de charge est dépassé, des réactions électrochimiques indésirables peuvent se produire dans la batterie, ce qui entraîne une surchauffe avec toutes les conséquences qui en découlent.
Les développeurs ont pris en compte une telle caractéristique - la sécurité de la charge des batteries Li-Ion modernes est contrôlée par un dispositif spécial intégré qui arrête le processus de charge si la tension dépasse le niveau autorisé.
Pour les batteries au lithium, une méthode de charge en deux étapes est la bonne façon de les charger. La première étape consiste à charger la batterie en fournissant un courant de charge constant, la deuxième étape consiste à fournir une tension constante et à réduire progressivement le courant de charge. Cet algorithme est implémenté matériellement dans la plupart des chargeurs de batterie domestiques.
Stockage et élimination
Une batterie lithium-ion peut être stockée pendant une longue période, avec une autodécharge de 10 à 20 % par an. Cependant, les caractéristiques du produit (dégradation) se détériorent progressivement avec le temps.
La batterie doit être stockée entre +5°C et +25°C et protégée de l'humidité. Évitez les fortes vibrations, les chocs ou le contact avec des flammes nues.
Le recyclage des cellules lithium-ion doit être effectué par des installations de recyclage dûment autorisées. Près de 80 % des matériaux des piles recyclées peuvent être réutilisés dans la production de nouvelles piles.
Sécurité
Une batterie lithium-ion, même dans sa taille miniature, comporte un risque d'auto-inflammation explosive. La caractéristique particulière de ce type de batterie exige des mesures de sécurité à tous les stades, de la conception à la production et au stockage.
Pour améliorer la sécurité des batteries Li-Ion, une petite carte de circuit électronique, un système de contrôle et de gestion conçu pour éviter la surcharge et la surchauffe, est placée à l'intérieur de la batterie pendant sa fabrication. Le mécanisme électronique augmente la résistance du circuit lorsque la température dépasse une limite prédéterminée. Certains modèles de batteries sont équipés d'un interrupteur mécanique intégré qui ouvre le circuit lorsque la pression à l'intérieur de la batterie augmente.
Les boîtiers de batterie sont également souvent équipés d'une soupape de sécurité, qui libère la pression en cas d'urgence.
Avantages et inconvénients des piles au lithium
Les avantages de ce type de batterie sont les suivants :
- une densité énergétique élevée ;
- aucun effet de mémoire ;
- longue durée de vie ;
- faible taux d'autodécharge ;
- aucun entretien requis ;
- aucun besoin d'entretien ; aucun besoin d'entretien ; aucun besoin d'entretien.
La batterie au lithium présente également des inconvénients, tels que
- risque d'auto-inflammation ;
- coût plus élevé que ses prédécesseurs ;
- la nécessité d'un contrôleur intégré ;
- le caractère indésirable de la décharge profonde.
La technologie des batteries Li-Ion s'améliore constamment, et de nombreuses lacunes appartiennent progressivement au passé.
Applications
La densité énergétique élevée des batteries lithium-ion détermine leur principal champ d'application - les appareils électroniques mobiles : ordinateurs portables, tablettes, smartphones, caméscopes, appareils photo, systèmes de navigation, divers capteurs intégrés et autres produits.
L'existence du facteur de forme cylindrique de ces piles permet de les utiliser dans des torches, des téléphones fixes et d'autres appareils qui consommaient auparavant l'énergie de piles jetables.
Le principe de construction des batteries lithium-ion comporte plusieurs variétés, les types se distinguant par le type de matériaux utilisés (lithium-cobalt, lithium-manganèse, lithium-nickel-manganèse-oxyde de cobalt, etc.) Chacun trouve sa propre application.
Outre l'électronique mobile, le groupe des batteries lithium-ion est utilisé dans les applications suivantes
- les outils électriques portatifs ;
- l'équipement médical portable ;
- les alimentations sans interruption ;
- les systèmes de sécurité ;
- modules d'éclairage d'urgence ;
- des centrales solaires ;
- les voitures et les vélos électriques.
Compte tenu des progrès constants de la technologie lithium-ion et du succès des batteries de grande capacité et de petite taille, nous pouvons prévoir que la gamme d'applications de ces batteries continuera de s'étendre.
Étiquetage
Les batteries au lithium-ion sont marquées sur le boîtier extérieur du produit et le codage peut varier sensiblement d'une taille à l'autre. Une norme commune à tous les fabricants de batteries n'a pas encore été élaborée, mais il est encore possible de comprendre les paramètres les plus importants par soi-même.
Les lettres de la ligne indiquent le type de cellule et les matériaux utilisés : la première lettre I indique la technologie lithium-ion, la lettre suivante (C, M, F ou N) précise la composition chimique, la troisième lettre R signifie que la cellule est rechargeable.
Les chiffres de la désignation de la taille indiquent la taille de la pile en millimètres : les deux premiers chiffres indiquent le diamètre et les deux autres la longueur. Par exemple, 18650 indique que le diamètre est de 18 mm et la longueur de 65 mm, 0 indique le facteur de forme cylindrique.
Les dernières lettres et les derniers chiffres de la rangée sont des indications de capacité spécifiques au fabricant. Il n'existe pas non plus de normes uniformes pour l'indication de la date de fabrication.
