Qu'est-ce qu'une batterie au lithium
En gros, un batterie au lithium (ou plutôt, une batterie lithium-ion, ou Li-ion) est composée d'une série de composants chimiques enfermés dans un boîtier, reliés à l'extérieur par deux extrémités métalliques, l'une positive et l'autre négative.
Lorsque ces deux extrémités sont mises en contact l'une avec l'autre (à travers un matériau conducteur), une réaction se déclenche qui provoque l'union et la séparation continue des particules internes de la batterie, afin de produire d'autres éléments chimiques, appelés ions.
En particulier, les ions sont chargés de produire l'énergie pour alimenter la batterie, tandis que les électrons sont chargés de générer l'électricité nécessaire au fonctionnement de l'appareil auquel il est connecté (smartphone, tablette, ordinateur portable, etc.).
Les batteries au lithium, grâce à leurs caractéristiques structurelles et chimiques particulières, sont aujourd'hui largement utilisées tant dans le domaine de l'électronique (smartphones, tablettes, notebooks, onduleurs, wearables…) que dans des secteurs très différents, comme celui de l'hybride et voiture électrique.
Le but de ce guide sera de vous expliquer, en termes simples, le critère qui sous-tend le fonctionnement des batteries lithium-ion rechargeables et les raisons des problèmes les plus courants rencontrés sur celles-ci.
Une brève histoire des batteries au lithium
L'histoire des batteries au lithium remonte à loin 1912, lorsque le premier accumulateur de ce type a été inventé par Gilbert N. Newis: il s'agissait de piles non rechargeables, mais capables de fournir des tensions bien plus élevées que les autres batteries en usage à l'époque, grâce à la présence de lithium.
Cette invention, cependant, n'a pas été considérée comme particulièrement utile jusqu'en 1970, lorsque le chimiste MS Whittingham réussi à développer un prototype de Batterie rechargeable en exploitant, en fait, le lithium.
Cependant, même cette invention n'a pas rencontré le succès escompté : le lithium étant un métal léger mais extrêmement instable, les batteries conçues à l'époque comportaient un risque élevé d'explosion ; donc complice des dangers liés à la manipulation du lithium dans ce secteur, et de l'effondrement du prix du pétrole (élément de base pour toutes les batteries rechargeables en usage à l'époque), le développement des batteries rechargeables au lithium a été mis au rancart.
C'était jusqu'en 1991, année où JB Goodenough a fabriqué la première batterie Li-Ion pour Sony, changer le matériau de construction de la cathode et augmenter sa puissance; le projet a été encore affiné, la même année, par Akira Yoshino, qui a réussi à éliminer complètement le lithium à l'état pur des batteries rechargeables, en le remplaçant par ions de lithium, c'est-à-dire avec des particules capables de "se détacher" de l'atome de lithium suite à une réaction chimique.
Cette dernière étape était d'une importance fondamentale pour la sécurité de ce qui, à ce jour, sont les batteries rechargeables les plus utilisées dans le monde : à partir de cette année, grâce à des études continues sur la structure chimique des composants de la batterie et l'introduction progressive de mécanismes de sécurité, les risques liés aux batteries lithium-ion ont été extrêmement réduits, face à une augmentation de la puissance, de la capacité de stockage d'énergie et de la durée dans le temps.
note: Whittingham, Goodenough et Yoshino ont reçu le prix Nobel de chimie en 2019, précisément pour le développement de batteries Li-ion.
Comment fonctionne une batterie au lithium
Une batterie lithium-ion est constituée d'une ou plusieurs pièces électroniques capables de générer de l'énergie, appelées Celle; chaque cellule est principalement composée de trois éléments : une électrode positive, appelée cathode; une électrode négative, appelée anode; et un produit chimique, appelé électrolyte.
Les batteries de ce type sont généralement rechargeable, donc capable à la fois d'accumuler de l'énergie (en phase de charge) et de la restituer (en phase de décharge) : ce mécanisme est rendu possible par le flux d'ions et d'électrons, c'est-à-dire de petites particules qui "se détachent" des atomes, qu'ils parcourent de l'anode à la cathode - et vice versa - en passant par l'électrolyte.
Permettez-moi de mieux expliquer la dynamique de ce mécanisme. Lorsque la batterie recueille de l'énergie et se trouve, c'est-à-dire en phase de charge, le cathode « Donne » une partie de ses ions lithium, qui voyagent à travers le matériau électrolytique, en suivant le circuit interne, et s'accumulent à l'intérieur duanode, dans lequel ils circulent en continu, générant de l'énergie et étant chargés négativement. Lorsque les ions lithium de la cathode cessent de circuler à travers le matériau électrolytique, le processus s'arrête et la batterie est chargée.
Lorsque, par contre, la batterie perd de l'énergie et est en phase de décharge, le processus inverse se produit : les ions, suivant le circuit externe de chaque cellule dans le sens opposé, circulent de l'anode à la cathode, fournissant de l'énergie à la batterie (et à l'appareil connecté) ; lorsqu'ils arrivent à destination, ils se combinent avec les électrons présents dans la cathode pour s'y déposer. Lorsque l'anode n'a plus d'ions lithium à libérer, le processus s'arrête : la batterie est complètement déchargée.
C'est précisément la distance parcourue par les ions lithium qui détermine le temps nécessaire pour charger et décharger une batterie : puisque la première des deux phases s'effectue sur un circuit interne et l'autre sur un "chemin" externe, il va de soi que la charge de la batterie est beaucoup plus rapide que la décharge.
Cependant, comme vous le savez certainement, l'autonomie d'une batterie lithium-ion est extrêmement variable, en fonction du type d'appareil qu'elle alimente et des activités qui y sont réalisées !
Chaque cellule implémente également certains mécanismes de sécurité visant à réduire les problèmes dus à la surchauffe : si la cellule et/ou la batterie atteint une température trop élevée pendant la phase de charge, le flux d'énergie entrante est immédiatement interrompu et, par conséquent, il ne peut plus recevoir de charge.
Bien que les batteries lithium-ion soient dominées par le même principe de fonctionnement, elles ne sont pas toutes identiques : il existe en fait différents types et caractéristiques, qui varient principalement en raison des matériaux avec lesquels sont fabriqués l'anode, la cathode et l'électrolyte.
Par exemple, la plupart des batteries trouvées sur les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables et les banques d'alimentation sont du type Oxyde de lithium-cobalt / LCO (o LiCoO2) : il est formé d'une cathode en oxyde de cobalt et d'une anode en graphite ; les batteries de voitures électriques, quant à elles, exploitent la combinaison chimique lithium, nickel, manganèse e oxyde de cobalt / LiNMC (LiNiMnCoO2) : la cathode, dans ce cas, est en nickel, manganèse et cobalt ; la cathode présente dans les batteries utilisées pour les alimentations sans interruption modernes, d'autre part, utilise une cathode àoxyde de lithium et de manganèse, généralement avec ajout de cobalt.
Avantages et inconvénients des batteries au lithium
L'introduction des batteries lithium-ion a apporté plusieurs avantages au monde de l'électronique. Pour commencer, contrairement aux batteries nickel-cadmium (ou NiCd, prononcé "nicad"), les batteries Li-Ion ils ne souffrent pas de l'effet mémoire: si vous n'en aviez jamais entendu parler, c'est un phénomène qui "fait croire à une batterie" qu'elle est moins volumineuse que son état initial.
L'effet mémoire est extrêmement fréquent dans les batteries NiCd et est « activé » lorsque, pour une raison quelconque, la batterie est rechargée alors qu'il y a encore de l'énergie résiduelle à l'intérieur ; pour revenir à la normale, il faut décharger complètement la batterie et la recharger immédiatement après.
Un autre grand avantage des batteries lithium-ion est qu'elles sont relativement lire par rapport à la quantité d'énergie qu'ils sont capables de stocker; encore une fois, pour construire des batteries de ce type l'utilisation de cadmium n'est pas prévue, un matériau extrêmement toxique et encore utilisé aujourd'hui, bien que dans une moindre mesure qu'au cours de la dernière décennie, pour la production de batteries rechargeables.
Cependant, tout n'est pas « des roses et des fleurs » : bien qu'au fil du temps, des mécanismes de sécurité aient été mis en place pour minimiser les risques de surchauffe et d'incendies consécutifs, vous devez toujours faire attention à chaleur, car les batteries au lithium souffrent beaucoup de cet effet : la batterie doit toujours être conservée à température ambiante et les cellules ne doivent pas être rechargées lorsque l'appareil est déjà chaud, car des baisses de performances peuvent survenir en raison de la difficulté de « retenir » l'énergie.
De plus, les batteries doivent être chargées à une tension appropriée: l'utilisation de chargeurs de batterie trop "puissants" pourrait réduire considérablement la durée de vie et l'efficacité de chaque cellule, ainsi que provoquer un danger accumulation de gaz (libéré naturellement pendant les phases de charge/décharge), ce qui pourrait provoquer des explosions.
Un autre aspect auquel il faut prêter attention, en particulier en ce qui concerne les appareils électroniques tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables, est la niveau de charge minimum. Laissez une batterie lithium-ion l'atteindre 0% de charge peut nuire à sa durée de vie : si le transit des ions de la cathode à l'anode est complètement interrompu, les particules de lithium pourraient endommager irrémédiablement cette dernière, diminuant les performances de la batterie. De plus, l'appareil peut avoir quelques difficultés ou mettre plus de temps à se rallumer, car le transit des ions doit être reparti "à partir de zéro".
Pour cette raison, c'est une bonne pratique éviter de décharger complètement un appareil électronique alimenté par une batterie Li-ion, avant de le recharger ; pour la même raison, si vous prévoyez de ne pas utiliser un appareil électronique pendant une longue période, veillez à le stocker avec la batterie chargée à au moins 50 % : la petite et inévitable perte de charge due à l'inactivité, de cette manière, à peine endommager les cellules.
Compte tenu de ses caractéristiques, il faut dire qu'une batterie lithium-ion a une durée limitée : les constructeurs définissent généralement ce paramètre en termes de cycles de charge, après quoi les cellules de la batterie peuvent ne pas être en mesure d'accumuler plus d'énergie correctement, en raison de l'usure des anodes ou du matériau chimique à l'intérieur. Rassurez-vous cependant : une batterie bien gérée - l'idéal serait de maintenir en permanence une autonomie de charge de 30 à 80 % de votre appareil - peut rester « saine » même plus de cinq ans (malgré une baisse évidente par rapport à la capacité d'origine, mais pas au point de compromettre son utilisation) !
Pour plus d'informations "pratiques", je vous invite à lire mes tutos sur comment charger la batterie d'un smartphone et comment augmenter l'autonomie d'un notebook.
Comment fonctionne une batterie au lithium
