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Decouvrez les Batteries Lithium : par Fabio FERRARI

Publié le 16 avril 2008 par Ecolo Trader

Les batteries Lithium prennent feu

En juin 2006, un laptop Dell prend feu pendant une conférence à Osaka. Conséquence principale : Sony, le constructeur de ces batteries, rappelle 10 millions de batteries… Un petit exemple ? Depuis les problèmes de Sony, la norme IEEE P1625(TM) décrit ce que doit « encaisser » une batterie.

Les batteries en technologie lithium s’enflamment au dessus d’une certaine température. Et l’échauffement peut tout simplement provenir de l’utilisation de la batterie, soit pendant le déchargement, soit plus souvent, pendant la recharge. Pour prévenir ce problème plusieurs solutions existent et sont maintenant en place :

Electronique de protection

Un capteur prévient des taux de décharge trop importants ou des élévations de température trop importante. L’électronique coupe alors le courant. Il s’agit souvent d’un « fusible » qui rend la batterie inutilisable ensuite…

Disposition différente

L’agencement des éléments de la batterie peut à lui seul permettre d’éviter « l’autoallumage » de la batterie. C’est une partie de la solution qui a été retenue par Boston-Power par exemple. Les batteries ne sont plus rondes, mais rectangulaires comme de bonnes vielles piles 4,5V

Chimie différente

Les batteries françaises n’explosent pas ! Johnson Control-Saft en Bolloré utilisent cet argument de vente. La chimie traditionnelle est le LiCoO2. Les nouvelles chimies sont(noms techniques ou marketing) LiFePO4, Nanophosphate, Lithium métal polymère, Argent-Zinc, Nano Titanate, etc. Ces chimies évitent l’explosion mais n’empêchent pas toujours l’autoallumage.

La durée de vie des batteries est limitée

En effet, dès qu’elle est construite, la batterie commence à s’user. Si vous acheter un PDA, je vous déconseille d’acheter une batterie supplémentaire en même temps. Mieux, il faut vérifier la date de fabrication de la batterie en cas de remplacement. La durée de vie moyenne d’une batterie lithium est de 3 ans. A l’inverse de la célèbre pile Wonder, la batterie lithium s’use même si l’on ne s’en sert pas !

Pour faire le lien avec le précédent article < Lien >, l’amortissement du coût d’une batterie change complètement si le véhicule reste immobile ! Or, si l’on considère qu’un véhicule est conçu pour rouler 300 000 km, à 20 000 km par an et 60km/h de moyenne, cela donne 333 heures ou 14 jours par an et un maximum de 5 000 heures, soit 208 jours ! La voiture passe 4% de sa vie sur la route.

La capacité d’une batterie change en fonction de nombreux paramètres…

Nombre de cycles

Nous l’avions vu lors du précédent article < lien >, la capacité d’une batterie se réduite en fonction du nombre de cycles de chargement/déchargement, et de la profondeur de décharge. D’autres facteurs s’ajoutent à ce vieillissement.

La puissance

En effet, si on considère que la batterie est un « réservoir d’énergie », le « débit d’énergie » maximum, c'est-à-dire la puissance, qui d’écoule de ce réservoir dépend de la technologie de la batterie. De plus, lorsqu’on « tire » beaucoup de puissance d’une batterie, sa capacité diminue. Les courbes données par A123 démontrent ce phénomène :

discharge_25dc_batteries_lithium

A environ 100 W, la capacité de la batterie (ligne grise) baisse d’à peu près 20%.

 

discharge_batteries_25dc_lithium

Sur une charge de 40 A, la batterie contient 2,6 * 2,1 ≈ 5.5 Wh

Sur une charge de 1 A, la batterie contient 3,25 * 2,1 ≈ 6.8 Wh 

Sur un véhicule par exemple, cela signifie que la batterie peut aussi être un goulot d’étranglement de la puissance. Pour mémoire, lors de l’accélération d’une voiture normale, il faut tirer au minimum 40 kW.

Et ou partent les 20% de puissance ? Ils s’évaporent en chaleur, chaleur, qui si elle devient trop importante, provoque le feu d’artifice déjà vu au début de cet article.

La puissance maximum est donc un paramètre important de la « qualité » de la batterie. Les batteries A123 par exemple, supporte 30 fois leur capacité normale de décharge de 7,6W, et même 52 fois en pointe, soit environ 400W ! Le schéma ci-dessous (source CEA) résume les différentes puissances des différentes technologies de batteries (courbe logarithmique en y) en les comparants au Wh que l’on peut stocker dans un même kilo (courbe linéaire en x).

specific_energy_power_batteries_lithium_650

La température

La température a aussi un effet sur la capacité : plus il fait froid, moins la batterie restitue d’énergie comme le démontre cette courbe, provenant toujours de A123 :

low_temperature_discharge_batteries_lithium
 

Qui n’a pas déjà pesté contre son appareil photo lorsqu’il ne veut plus marcher sur les pistes de ski ? La réponse est dans la courbe : si la température descend trop bas et que la batterie est très sensible à la température, le voltage est si bas que l’appareil considère que la batterie est vide ! Il faut savoir que les constructeurs automobiles imposent des températures de fonctionnement de -20°C à +80°C, et parfois même -40°C à +80°C…

Et une batterie, c’est long à recharger…

En fait, pas tant que ça : si l’on reprend les spécifications de la très bonne batterie A123, elle accepte 10A à 3,6V, soit 15 minutes pour la charger. Si on charge toutes les batteries en parallèle, 15mn suffisent donc. Toshiba annonçait même 1mn ! Mais 36W par élément, ça donne quand même 2400*36 = 86kW à sortir de la prise de courant pour la future Volt ! Allo, EDF, vous pouvez me changer de compteur ?

D’un autre coté, si on veut récupérer l’énergie cinétique qui part en chaleur à chaque freinage, il faut que la batterie accepte d’être brusquée : les 500 Wh d’une Scenic qui roule à 50km/h doivent entrer dans la batterie en moins d’une seconde, soit environ 700W.

Autre léger problème, la batterie lithium n’aime généralement pas être rechargée à basse température…

L’importance de la forme de la batterie

La batterie est souvent représentée sous forme d’un cylindre. Il existe aussi des batteries « liquides » qui peuvent donc prendre toutes les formes. On trouve maintenant des batteries sous forme de feuilles, que l’on peut enrouler ou sous forme de prismes.

Lorsque l’on veut augmenter la capacité de stockage, on assemble des éléments des formes précités, parfois simplement avec de l’adhésif ou un emballage plastique. Dans le cas de batteries cylindriques, on perd évidement pas mal de place.

Les liaisons électriques entre les éléments posent aussi des problèmes : diamètre, longueur et donc poids du fil, fragilité des soudures etc. Les formes en prisme ou rectangulaires permettent de souder les éléments entre eux et évitant des câbles.

Enfin, les montages en série et parallèle ne facilitent pas la gestion de l’état des cellules…

Et on fait quoi du lithium après ?

La Volt contient quand même 170kg de batteries. Certes, le lithium devient facilement inerte. Mais, encore faut-il que le cycle de récupération soit au point. Enfin, le lithium est l’élément principal, mais quid des autres composants cobalt, phosphore, fluor ? Les batteries rentreront certainement dans le cycle actuel de recyclage des piles. A suivre…

Conclusion

La gestion des batteries est donc un sujet complexe, qui demande des capteurs multiples du code et du câblage pour gérer la batterie et ne l’utiliser que dans la profondeur de décharge décidée en fonction de la durée de vie recherchée ! Enfin, si elle ne reste pas dans un garage. Cela donne une idée de ce qu’il faut faire pour adapter la jauge de carburant à la batterie.

La qualité d’une batterie ne se juge pas seulement à sa capacité à stocker plus d’énergie au kilo ou au litre, mais aussi :

-   à sa résistance à l’autoallumage, et d’une manière plus générale, la sécurité d’usage et la robustesse,

-   du nombre de cycle de charge et décharge qu’elle peut subir, mais qu’il faut pondérer avec l’amélioration que peut donner une profondeur de décharge « raisonnable »

-   à sa durée de vie – même si l’on ne s’en sert pas,

-   à la puissance qu’elle peut produire, sans que tout ne parte en chaleur,

-   à la puissance qu’elle accepte lors de sa charge,

-   à sa résistance aux variations de températures,

-   sa facilité d’implantation (câblage, résistance aux chocs des câbles et soudures etc.),

-   et… éventuellement son prix !

Il est à noter que la solution pourra aussi provenir de « panachages » : ultracapacité + plomb, hydrogène + lithium etc. A suivre donc !


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