Qu’est-ce que la technologie des batteries au lithium ?

Les batteries au lithium se distinguent des autres compositions chimiques de batteries en raison de leur densité énergétique élevée et de leur faible coût par cycle. Cependant, « batterie au lithium » est un terme ambigu. Il existe environ six compositions chimiques courantes de batteries au lithium, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients. Pour les applications d’énergies renouvelables, la chimie prédominante est Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) . Cette chimie présente une excellente sécurité, avec une grande stabilité thermique, des courants nominaux élevés, une longue durée de vie et une tolérance aux abus.

Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) est une chimie du lithium extrêmement stable par rapport à presque toutes les autres chimies du lithium. La batterie est assemblée avec un matériau cathodique naturellement sûr (phosphate de fer). Comparé à d'autres produits chimiques au lithium, le phosphate de fer favorise une forte liaison moléculaire, qui résiste à des conditions de charge extrêmes, prolonge la durée de vie et maintient l'intégrité chimique sur de nombreux cycles. C’est ce qui confère à ces batteries leur grande stabilité thermique, leur longue durée de vie et leur tolérance aux abus. Piles LiFePO4 ne sont pas sujets à la surchauffe, ni à un « emballement thermique », et ne surchauffent donc pas et ne s'enflamment pas lorsqu'ils sont soumis à une mauvaise manipulation rigoureuse ou à des conditions environnementales difficiles.

Contrairement aux batteries au plomb inondées et à d’autres batteries chimiques, les batteries au lithium n’émettent pas de gaz dangereux tels que l’hydrogène et l’oxygène. Il n'y a également aucun risque d'exposition à des électrolytes caustiques tels que l'acide sulfurique ou l'hydroxyde de potassium. Dans la plupart des cas, ces batteries peuvent être stockées dans des zones confinées sans risque d'explosion et un système correctement conçu ne devrait pas nécessiter de refroidissement ou de ventilation actif.

Les batteries au lithium sont un assemblage composé de nombreuses cellules, comme les batteries au plomb et de nombreux autres types de batteries. Les batteries au plomb ont une tension nominale de 2 V/élément, tandis que les cellules des batteries au lithium ont une tension nominale de 3,2 V. Par conséquent, pour obtenir une batterie 12 V, vous aurez généralement quatre cellules connectées en série. Cela rendra la tension nominale d'un LiFePO4 12,8 V . Huit cellules connectées en série constituent un Batterie 24V avec une tension nominale de 25,6 V et seize cellules connectées en série constituent un Batterie 48V avec une tension nominale de 51,2V. Ces tensions fonctionnent très bien avec votre typique Onduleurs 12V, 24V et 48V .

Les batteries au lithium sont souvent utilisées pour remplacer directement les batteries au plomb car elles ont des tensions de charge très similaires. Un quatre cellules Batterie LiFePO4 (12,8 V), aura généralement une tension de charge maximale comprise entre 14,4 et 14,6 V (selon les recommandations des fabricants). Ce qui est unique à une batterie au lithium, c'est qu'elle n'a pas besoin d'une charge d'absorption ni d'être maintenue dans un état de tension constante pendant des périodes de temps significatives. Généralement, lorsque la batterie atteint la tension de charge maximale, elle n'a plus besoin d'être chargée. Les caractéristiques de décharge des batteries LiFePO4 sont également uniques. Pendant la décharge, les batteries au lithium maintiendront une tension beaucoup plus élevée que les batteries au plomb ne le feraient généralement sous charge. Il n'est pas rare qu'une batterie au lithium ne chute que de quelques dixièmes de volt entre une charge complète et une décharge à 75 %. Cela peut rendre difficile de déterminer la quantité de capacité utilisée sans équipement de surveillance de la batterie.

Un avantage significatif du lithium par rapport aux batteries au plomb est qu’elles ne souffrent pas de cyclage déficitaire. Il s’agit essentiellement du moment où les batteries ne peuvent pas être complètement chargées avant d’être à nouveau déchargées le lendemain. Il s’agit d’un très gros problème avec les batteries au plomb et peut favoriser une dégradation significative des plaques si elles sont cyclées de cette manière à plusieurs reprises. Les batteries LiFePO4 n'ont pas besoin d'être complètement chargées régulièrement. En fait, il est possible d'améliorer légèrement l'espérance de vie globale avec une légère charge partielle au lieu d'une charge complète.

L'efficacité est un facteur très important lors de la conception de systèmes électriques solaires. L’efficacité aller-retour (de plein à mort et de retour à plein) d’une batterie au plomb moyenne est d’environ 80 %. D'autres produits chimiques peuvent être encore pires. L’efficacité énergétique aller-retour d’une batterie au lithium fer phosphate est supérieure à 95 à 98 %. Cela constitue à lui seul une amélioration significative pour les systèmes privés d'énergie solaire en hiver. Les économies de carburant réalisées grâce à la recharge du générateur peuvent être énormes. L’étape de charge d’absorption des batteries au plomb est particulièrement inefficace, ce qui entraîne des rendements de 50 %, voire moins. Étant donné que les batteries au lithium ne se chargent pas par absorption, le temps de charge entre complètement déchargée et complètement pleine peut être aussi court que deux heures. Il est également important de noter qu’une batterie au lithium peut subir une décharge presque complète sans effets indésirables significatifs. Il est toutefois important de s’assurer que les cellules individuelles ne se déchargent pas trop. C'est le travail de l'intégré Système de gestion de batterie (BMS) .

La sécurité et la fiabilité des batteries au lithium sont une préoccupation majeure, c'est pourquoi tous les assemblages doivent avoir un système intégré. Système de gestion de batterie (BMS) . Le BMS est un système qui surveille, évalue, équilibre et protège les cellules contre tout fonctionnement en dehors de la « zone d’exploitation sûre ». Le BMS est un composant de sécurité essentiel d'un système de batterie au lithium, surveillant et protégeant les cellules de la batterie contre les surintensités, les sous/surtensions, les sous/surchauffes et bien plus encore. Une cellule LiFePO4 sera endommagée de façon permanente si la tension de la cellule tombe en dessous de 2,5 V, elle sera également endommagée de manière permanente si la tension de la cellule augmente à plus de 4,2 V. Le BMS surveille chaque cellule et évitera d'endommager les cellules en cas de sous/surtension.

Une autre responsabilité essentielle du BMS est d'équilibrer le pack pendant la charge, garantissant que toutes les cellules soient complètement chargées sans surcharge. Les cellules d'une batterie LiFePO4 ne s'équilibreront pas automatiquement à la fin du cycle de charge. Il existe de légères variations d’impédance à travers les cellules et aucune cellule n’est donc identique à 100 %. Par conséquent, lors d’un cycle, certaines cellules seront complètement chargées ou déchargées plus tôt que d’autres. La variance entre les cellules augmentera considérablement avec le temps si les cellules ne sont pas équilibrées.

Dans batteries au plomb , le courant continuera à circuler même lorsqu'une ou plusieurs cellules sont complètement chargées. C'est le résultat de l'électrolyse a lieu au sein de la batterie, l'eau se divisant en hydrogène et en oxygène. Ce courant aide à charger complètement les autres cellules, équilibrant ainsi naturellement la charge de toutes les cellules. Cependant, une pile au lithium entièrement chargée aura une résistance très élevée et très peu de courant circulera. Les cellules en retard ne seront donc pas complètement chargées. Pendant l'équilibrage, le BMS appliquera une petite charge aux cellules complètement chargées, l'empêchant de surcharger et permettant aux autres cellules de rattraper leur retard.

Les batteries au lithium offrent de nombreux avantages par rapport aux autres compositions chimiques de batteries. Il s'agit d'une solution de batterie sûre et fiable, sans crainte d'emballement thermique et/ou de fusion catastrophique, ce qui constitue une possibilité importante par rapport aux autres types de batteries au lithium. Ces batteries offrent une durée de vie extrêmement longue, certains fabricants garantissant même des batteries jusqu'à 10 000 cycles. Avec des taux de décharge et de recharge élevés supérieurs à C/2 continu et un rendement aller-retour allant jusqu'à 98 %, il n'est pas étonnant que ces batteries gagnent du terrain au sein de l'industrie. Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) est un parfait solution de stockage d'énergie .