How Lithium Car Batteries Charge

Les piles au lithium sont largement utilisées dans l'électronique grand public portable (téléphones et ordinateurs portables), les voitures hybrides et les voitures électriques en raison de leur densité énergétique élevée qui leur permet de stocker des quantités importantes d'énergie tout en étant compactes en taille et en poids.

Chaque cellule de batterie contient des cathodes positives, des anodes à base de graphite et une solution électrolytique entre les deux ; leur chimie complexe implique le passage d'ions lithium et d'électrons dans un sens et dans l'autre à travers cette solution.

Comment fonctionnent-ils ?

Les batteries lithium-ion font partie intégrante de l'électronique moderne et des voitures électriques, car elles peuvent être chargées et déchargées de manière répétée sans perdre d'énergie. Leur composition comprend des particules de carbone ou de graphite en suspension dans des solutions d'oxyde métallique et de sel de lithium qui forment un électrolyte pour produire du courant. À la fin de leur durée de vie, les batteries au lithium peuvent être démontées pour être recyclées, environ 80 % des composants restant recyclables.

Les batteries Li-ion sont devenues immensément populaires en raison de leur densité énergétique supérieure ; ces cellules contiennent trois ou quatre fois plus d'énergie par poids que les batteries plomb-acide, se rechargent rapidement et conservent leur charge même après des jours ou des semaines sans utilisation, ce qui en fait le choix idéal pour les outils électriques, les ordinateurs portables et d'autres appareils mobiles.

Les ions lithium qui se déplacent de l'anode à la cathode à travers l'électrolyte passent par l'intercalation ; pendant la charge, ils pénètrent physiquement entre les couches 2D de graphène dans l'anode pour l'intercalation. Après la décharge, ils empruntent des voies similaires, mais les électrons libérés par les réactions de l'oxyde métallique sont renvoyés à travers lui et se combinent avec le graphite à l'anode pour former des composés de carbone lithiés.

Les fabricants ont commencé à se tourner vers le lithium comme source de stockage d'énergie au début des années 1990, en raison du coût et de la rareté des matériaux nécessaires aux batteries nickel-cadmium (NiCad) ou nickel-métal-hydrure (NiMH). Le lithium permet également un plus grand nombre de cycles de charge/décharge.

Les batteries automobiles au lithium présentent un danger particulier : l'emballement thermique. Ce phénomène se produit lorsqu'une surcharge, un court-circuit ou d'autres facteurs provoquent une surchauffe, entraînant la désintégration du revêtement de l'anode et la fuite de l'électrolyte, ce qui peut provoquer des incendies ou des émissions de gaz toxiques. Pour obtenir des résultats optimaux, il convient de s'approvisionner auprès de fabricants fiables qui respectent des normes élevées en matière de sécurité et de durabilité.

Quels sont les principaux composants ?

Les piles au lithium fonctionnent en faisant passer les ions lithium entre deux électrodes - une cathode positive et une anode négative - à travers une solution électrolytique, fournissant une alimentation fiable pour les appareils électroniques portables, les systèmes de secours d'urgence et même les radios amateurs. Grâce à leur faible taux d'autodécharge, les piles au lithium sont idéales pour les besoins de stockage à long terme, par exemple dans les régions isolées où il n'y a pas de réseau électrique.

Les performances des piles au lithium dépendent fortement des matériaux choisis pour les électrodes et l'électrolyte. Les anodes sont généralement constituées de graphite, tandis que les cathodes sont généralement constituées d'oxydes métalliques de lithium tels que l'oxyde de cobalt ou le phosphate de fer. Un électrolyte composé de sels de lithium dissous dans un solvant organique facilite le flux d'ions entre les électrodes à des fins de charge et de stockage, créant ainsi des capacités de production et de stockage d'électricité idéales pour les véhicules électriques et d'autres applications. Cette combinaison permet aux batteries au lithium de fournir des niveaux élevés de densité énergétique dans un boîtier extrêmement compact et léger, ce qui en fait une excellente option pour des applications telles que la charge de véhicules électriques ou des applications de stockage telles que les batteries électriques au phosphate de fer ou des besoins de stockage tels que les batteries électriques au phosphate de fer.

Les tests analytiques sont essentiels dans la production de piles au lithium pour garantir leur sécurité ou leur capacité sans impuretés, telles que le fer. Le fer peut entraver les réactions électrochimiques entre les électrodes de l'anode et de la cathode et réduire la durée de vie de la batterie ; en outre, l'eau - présente dans tous les électrolytes de batterie dans une certaine mesure - peut réduire la durée de vie en augmentant la corrosion et les problèmes de court-circuit.

Les batteries lithium-ion ont été développées dans un souci de sécurité et sont bien plus sûres que leurs homologues plomb-acide pour le démarrage des voitures à moteur à combustion. Cela s'explique en partie par le fait que les batteries au lithium ont moins tendance à dégazer, ce qui pourrait provoquer des incendies ou des explosions en cas de manipulation incorrecte. Les batteries au lithium modernes sont également dotées d'évents de sécurité et de dispositifs d'interruption du courant qui s'ouvrent en cas de chaleur excessive, de pression ou de dégradation chimique.

Les matières premières nécessaires à la fabrication des piles au lithium sont abondantes et largement disponibles dans le monde entier, même si la concentration de leur production dans certains pays producteurs présente certains risques. Par exemple, la République démocratique du Congo produit actuellement la majeure partie du cobalt nécessaire à la demande dynamique des fabricants de piles au lithium ; son offre pourrait également être affectée par l'évolution actuelle de la chimie et de la technologie des cellules, qui réduirait la nécessité des cathodes de cobalt, voire les éliminerait complètement.

Quels sont les tarifs pratiqués ?

Les batteries au lithium-ion jouent un rôle central dans notre vie quotidienne : ordinateurs portables, téléphones mobiles et voitures électriques dépendent d'elles pour s'alimenter. Leur légèreté, leur haute densité énergétique et leur facilité de chargement ont rendu possible l'utilisation des VE. Cependant, les batteries au lithium présentent également des risques : un chargement incorrect peut les faire surchauffer et déclencher des incendies - il est donc essentiel de comprendre comment les batteries au lithium se chargent correctement afin de pouvoir les utiliser en toute sécurité.

Chaque batterie se compose de centaines, voire de milliers de cellules électrochimiques lithium-ion légèrement pâteuses, disposées de manière dense et maintenues ensemble par des solutions électrolytiques liquides. Elles se présentent généralement sous la forme de cellules cylindriques ou en forme de poche avec des cathodes positives (souvent composées d'oxydes métalliques tels que les oxydes de nickel, de manganèse et de cobalt) reliées par câblage à des anodes en graphite chargées négativement par l'intermédiaire d'électrons externes lâchement retenus sur leurs ions lithium qui permettent un contact aller-retour entre les électrodes résultant en une réaction chimique qui stocke l'énergie électrique qui est stockée sous forme d'énergie chimique (bien qu'avec certaines pertes dues à un rendement coulombien inférieur à un).

Les chargeurs de batteries au lithium fonctionnent en augmentant la tension du système au-dessus de celle de la batterie pour y introduire de l'électricité, avec une surveillance BMS pour s'assurer qu'aucune action nuisible n'a lieu ; les taux de charge rapides doivent également être évités car ils peuvent surchauffer les cathodes et réduire la durée de vie.

Une approche efficace pour charger les batteries au lithium consiste à appliquer un courant constant jusqu'à ce qu'elles atteignent 4,2 volts par élément, puis à le réduire progressivement jusqu'à ce qu'elles atteignent 3 % de leur capacité, avant de s'arrêter. Ce processus est connu sous le nom de "charge de maintien".

Surveillez de près la température de votre pile afin de prolonger sa durée de vie et d'éviter la production prématurée de gaz due au processus de décomposition chimique. Il est donc judicieux de maintenir la température ambiante lorsque les piles au lithium sont stockées à l'extérieur, dans un environnement froid ou non chauffé.

Comment se fait la décharge ?

Les batteries au lithium stockent l'énergie sous forme d'ions lithium qui se déplacent entre les électrodes (une cathode positive et une anode négative) à travers un liquide électrolytique, appelé électrolyte. Lorsqu'elle est chargée, une source d'énergie externe applique une surtension à chaque cellule d'une batterie lithium-ion pour forcer les électrons à passer d'une électrode à l'autre à travers l'électrolyte - ce processus de transfert permet la charge car le transfert peut se faire dans les deux sens - afin de faciliter la mesure de la capacité et de la tension pour les utilisateurs. Les calculs de tension et de capacité dépendent du nombre de cellules et de leur configuration ;

Les batteries lithium-ion utilisent un mécanisme d'échange d'ions qui permet des niveaux élevés de stockage de charge par volume et par masse, créant ainsi une densité d'énergie et une densité de puissance élevées - des qualités qui en font une technologie très recherchée dans les voitures électriques qui ont besoin de grandes quantités d'énergie pour avancer. Leur temps de recharge rapide et leur taux de décharge élevé les rendent également adaptées aux applications qui nécessitent de brèves poussées d'énergie, telles que les applications de surtension de courte durée.

La durée de vie des batteries lithium-ion dépend de leur capacité à se charger et à se décharger au fil du temps, ainsi qu'à fonctionner à des températures extrêmes. Au fil du temps, leur capacité se dégrade en raison de l'érosion de l'anode, de l'évaporation de l'électrolyte et de l'augmentation de la résistance interne. Cette perte progressive est connue sous le nom d'autodécharge, qui peut être stoppée en réduisant les vitesses de charge, la profondeur de décharge ou en évitant l'exposition à des conditions extrêmes.

Pour produire une batterie lithium-ion, la matière première, comme le bêta-spodumène, doit d'abord être extraite, concassée et broyée. Elle doit ensuite être traitée avec de l'acide sulfurique pour former une solution de sulfate de lithium qui peut ensuite être purifiée à l'aide de différentes techniques. Ce processus comprend généralement la précipitation, l'échange d'ions et l'extraction par solvant pour éliminer les impuretés de la solution. Une fois que le sulfate de lithium pur a été isolé, il peut être transformé en carbonate de lithium ou en hydroxyde de lithium par des réactions chimiques. Cette étape prépare la batterie à une utilisation automobile. Une batterie lithium-ion contient un électrolyte liquide inflammable qui doit être manipulé avec précaution pour protéger les occupants du véhicule et les passagers.