Principe des batteries au lithium : Lithium-ion vs Lithium vs Polymère de lithium

Toutes les piles au lithium ne sont pas identiques.

La batterie au lithium peut être utilisée pour décrire divers types de technologies au lithium, qui se comportent toutes différemment. Les batteries au lithium peuvent avoir différentes tensions, différentes énergies et caractéristiques spécifiques et même différentes réactions lorsqu’elles sont endommagées.

Lorsque vous voyez les mots lithium-ion, il peut faire référence à l’un des douzaines de types distincts, chacun ayant sa propre tension, densité d’énergie et sécurité. Plus de types apparaissent chaque jour, car les scientifiques et les fabricants de batteries explorent toujours ce qui est possible.

Dan McMartin, un expert en batteries qui supervise l’équipe de qualité du Interstate All Battery Center, étudie la frontière des batteries au lithium.

Il est souvent le premier à voir ce qui est nouveau dans le monde des batteries au lithium.

« Nous en sommes au début d’une période très passionnante. Il y a beaucoup de travail à faire pour favoriser des progrès rapides dans les cellules de lithium qui aident à faire évoluer continuellement le monde du lithium », a déclaré McMartin.

M. McMartin a dit qu’il traverse généralement deux idées fausses courantes sur les batteries au lithium : Ils sont tous pareils et ils sont dangereux.

« J’adore les piles au lithium depuis d’innombrables années », a-t-il déclaré. « J’aime les avantages et la flexibilité qui les accompagnent, comme la capacité de charger et de décharger plus rapidement. J’adore le fait que vous pouvez les recharger à moitié ou partiellement et tout de même faire l’expérience de leur pleine puissance. »

La vérité est qu’ils sont tous différents, et certains sont plus sûrs que d’autres.

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Quelle est la différence entre les batteries au lithium-ion, au lithium-polymère et au lithium?

Le terme lithium fait généralement référence à des batteries primaires non rechargeables. Ils sont utilisés dans les montres, les détecteurs de fumée, les prothèses auditives, les stimulateurs cardiaques, les porte-clés et autres petits appareils électroniques de faible puissance. On l’appelle aussi batterie au lithium métal. Cette catégorie de lithium comprend des chimies telles que :

• lithium bioxyde de manganèse
• chlorure de lithium-thionyle
• monofluorure de carbone lithium poly.

L’autre type populaire est alcalin. Ces piles au lithium surpasseront les piles alcalines en raison de leur densité énergétique. Le lithium offre plus de puissance par cellule que les piles alcalines et peut avoir une durée de conservation plus longue que les piles alcalines. La durée de conservation normale des piles alcalines est de sept ans et les piles au lithium métal peuvent atteindre 10 ans si vous en consommez régulièrement un peu.

Le lithium-ion fait référence aux piles rechargeables, aussi appelées piles secondaires. Le polymère de lithium est un autre type de lithium-ion et il utilise un gel au lieu d’un électrolyte liquide. Ils sont courants dans les appareils qui ont besoin de plus d’énergie sur demande, comme les téléphones, les ordinateurs portables, les démarreurs, les outils électriques, les véhicules électriques, les instruments médicaux, etc. Une grande variété entre dans la catégorie lithium-ion :

• Lithium nickel manganèse cobalt
• Lithium nickel cobalt aluminium
• Phosphate de fer au lithium
• Oxyde de cobalt-lithium
• Oxyde de manganèse de lithium
• Titanate de lithium

« Honnêtement, le lithium est essentiellement un terme générique. Ce n’est que l’identifiant ou le nom que les gens utilisent pour une grande catégorie de batteries », a déclaré McMartin.

L’ajout de nouveaux éléments change la batterie. Les scientifiques peuvent augmenter la densité énergétique de la batterie. Ils peuvent également améliorer son fonctionnement à des températures extrêmes.

Plus important encore, ils peuvent accroître leur sécurité.

L’une des piles au lithium les plus populaires dans les téléphones et les tablettes est l’oxyde de cobalt de lithium. Bien qu’elle offre beaucoup de puissance sur demande, elle peut également être volatile si elle est percée, a déclaré M. McMartin. D’autres dangers comprennent la tentative de charger du lithium sous les températures de congélation. Cela peut créer des dendrites de lithium, une fine aiguille de lithium qui traverse la couche séparatrice et court-circuite la batterie.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les fabricants de batteries équipent les batteries au lithium de systèmes de gestion des batteries. Ces circuits surveillent la sécurité et la performance du bloc-piles.

« Ce sont des batteries intelligentes. Il ne s’agit pas seulement d’une boîte de volts et d’ampères », a déclaré McMartin. « Maintenant, nous avons un ordinateur assis sur une batterie pour dire à ce bloc-piles quoi faire. »

Les systèmes de gestion de la batterie couperont la connexion en une microseconde s’ils détectent un court-circuit, des températures trop froides ou trop chaudes ou même s’ils sont soumis à une tension ou un courant inapproprié. Ce système rend les batteries au lithium plus sécuritaires à manipuler en général.

Une autre condition qui affecte le niveau de sécurité de certains types de batteries au lithium dépend de la force d’une liaison entre les molécules d’oxygène et ses autres éléments dans le matériau actif si la cellule devait subir un événement thermique.

Le type de batterie lithium-ion le plus courant est le lithium-nickel-manganèse cobalt. Le cobalt a une faible liaison à l’oxygène. Cela en fait un danger potentiel. Les scientifiques peuvent utiliser d’autres éléments au lieu du cobalt pour fabriquer des batteries plus sûres. L’un des plus sûrs est le phosphate de fer de lithium.

« La liaison entre les molécules de phosphate et d’oxygène est très serrée, ce qui en fait un type de cellule au lithium extrêmement stable », a-t-il déclaré. « Vous devez dépasser 500 F pour les séparer. En ce sens, c’est un produit beaucoup plus sûr. »

C’est l’une des autres raisons pour lesquelles les experts d’Interstate Batteries ont choisi le phosphate de fer au lithium pour ses batteries de golf et marines/VR.

La puissance au-delà de la comparaison  ^: Avantages du phosphate de fer au lithium alimentant les batteries marines, de VR et de golf

Les moteurs de pêche à la traîne, les barbecues de camping et les voyages de quartier sont sur le point de devenir plus puissants, de se sentir beaucoup plus légers et de fonctionner beaucoup plus longtemps, grâce aux nouvelles batteries au lithium d’Interstate Batteries.

Les batteries au lithium changent la donne pour les batteries à décharge profonde. C’est la puissance des batteries au phosphate de fer au lithium (également appelées LiFePO4) avec des bornes et des tensions compatibles avec les bateaux, les VR et les voiturettes de golf.

La densité énergétique est le plus grand avantage du lithium. Il fournit plus d’ampères par livre de batterie que les autres batteries à décharge profonde. En moyenne, les batteries au lithium pèsent un quart de ce qu’une batterie au plomb-acide pèse tout en offrant autant d’ampérage et une durée de vie beaucoup plus longue.

Cette densité énergétique rapporte aux propriétaires de bateaux avec la batterie au lithium marine d’Interstate, en particulier pour les pêcheurs compétitifs.

Les batteries au lithium marine sont offertes en tailles de 12 volts, 24 volts et 36 volts, ce qui signifie que les pêcheurs à la ligne peuvent remplacer une rangée de trois ou quatre batteries à décharge profonde par une batterie au lithium marine de 36 volts qui pèse moins et dure plus longtemps.

« Disons que je dois passer rapidement de l’endroit A à l’endroit B », a déclaré J.D. Felts, gestionnaire de produit principal pour Interstate Batteries. « Grâce à ceux-ci, je peux réduire le poids de la cargaison de 200 à 300 livres. Même s’il me coupe 20 secondes de mon temps, c’est plus de temps, et les professionnels recherchent tout ce qu’ils peuvent faire sur l’eau. »

Felts est l’un des chefs de file qui guide le développement des batteries au lithium d’Interstate, travaillant côte à côte avec McMartin. Il fait partie de l’héritage d’Interstate Batteries depuis plus d’une décennie, combinant un amour du plein air avec une expertise en matière de batteries. Pour lui, la tranquillité d’esprit de nos batteries est l’un des plus grands avantages.

La batterie au lithium légère de 12 volts allège également la charge mentale du propriétaire du VR. La plupart des autocaravanes et des remorques de voyage utilisent des batteries marines/VR pour les charges domestiques, la cuisson, l’éclairage et l’électronique. Cela dit, les propriétaires de VR passent beaucoup de temps à calculer le poids de remorquage pour voir combien ils peuvent apporter avant qu’ils ne deviennent trop lourds. Des centaines de livres de batteries au plomb-acide pourraient être remplacées par quelques batteries au lithium. Cela signifie que les propriétaires de VR peuvent obtenir une meilleure consommation d’essence ou apporter plus de confort à la maison en plein air.

Le plus grand avantage peut être leur longue durée de vie.

Avoir plus de jus par charge aide, qu’il s’agisse d’une remorque de voyage, d’un moteur de pêche à la traîne ou même d’une voiturette de golf.

« Vous pouvez obtenir des temps de fonctionnement plus longs, plus de kilomètres par charge. Les gestionnaires de terrains de golf réfléchissent au nombre de parties de golf que je peux obtenir avant qu’il ne doive s’asseoir et se recharger », a déclaré Felts. « La plupart des gestionnaires de terrain s’attendent à recevoir deux parties de golf complètes avant de devoir se recharger pendant huit heures. Ils se rechargent jusqu’à trois fois plus rapidement. Cela signifie que vous n’avez pas besoin d’avoir 50 chariots en panne pendant huit à 10 heures par jour. »

C’est beaucoup plus de jeu de golf et beaucoup moins de temps à jouer avec les câbles de voiturette de golf.

L’avantage le plus important des batteries au lithium est ce que Felts et McMartin appellent un taux de décharge plat.

Pensez au fonctionnement de la batterie de votre téléphone intelligent. Vous pouvez vider un téléphone à 50 %, et le téléphone n’agira pas différemment qu’à 100 %. Le processeur ne ralentira pas. L’écran tactile ne sera pas à la traîne même si sa batterie est à 50 %. C’est un taux de décharge fixe.

Les batteries au plomb-acide donnent beaucoup moins d’énergie si elles sont chargées à moins de 75 %.

« Si je n’ai pas de charge dans une batterie au plomb-acide, la courbe de décharge s’abaisse comme une chute d’eau très rapidement », a déclaré M. McMartin. « Si je le mets dans un moteur de pêche à la traîne et que je le fais fonctionner toute la journée, ce moteur va commencer à s’encrasser. Vous n’en avez pas avec le lithium. »

Cela signifie que vous pouvez vider la batterie de votre moteur de pêche à la traîne au lithium ou celle de votre voiturette de golf, la recharger en une heure et profiter d’une journée complète de jeu sans vous inquiéter.

De plus, les batteries au lithium marine et de voiturette de golf se rechargent plus rapidement que les batteries au plomb-acide. Avec le bon chargeur, ils peuvent revenir à 100 % en seulement une heure.

Les batteries au phosphate de fer au lithium ont également une longue durée de vie. Les feutres ont dit qu’il est possible que ces nouvelles batteries au lithium durent cinq à 10 ans de plus si elles sont bien manipulées. McMartin a offert quelques conseils importants pour tirer le meilleur parti de votre batterie au lithium :

• Gardez-le chargé entre 30 % et 80 %.
• Utilisez uniquement le chargeur de batterie approprié.

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Comment recharger les batteries au lithium Interstate?

Utilisez un chargeur de batterie avec un profil de charge au lithium, comme le chargeur de la série PS des systèmes de charge PRO, lors de la recharge des nouvelles batteries au lithium d’Interstate. McMartin recommande un chargeur avec un réglage au lithium ou étiqueté pour les batteries au lithium. Recherchez un réglage marqué « Li ».

N’utilisez pas un chargeur conçu uniquement pour les batteries au plomb-acide de 12 volts. Les batteries au lithium et au plomb-acide doivent être chargées de manières complètement différentes. Les batteries au plomb-acide préfèrent une charge faible et lente, mais le lithium peut prendre plus de courant en même temps. Au lieu d’accepter seulement un dixième de sa capacité en une heure comme les batteries au plomb-acide, les batteries au lithium peuvent prendre leur pleine capacité en une heure.

De plus, le système de gestion des batteries de chaque batterie au lithium rend également la recharge plus sécuritaire. Par exemple, les batteries au lithium n’aiment pas la recharge en douceur. Lorsqu’une batterie au lithium atteint 100 % de sa charge, son système de gestion de la batterie embarquée refuse plus d’énergie. Si la tension de charge ou l’ampérage ne sont pas tout à fait corrects, le système refuse l’alimentation. Cela vous protège, vous et la batterie aussi.

Cette protection empêche également l’alternateur de votre VR de blesser la batterie au lithium du VR, a déclaré Jeff Barron, expert en électronique automobile d’Interstate Batteries. Même s’il est conçu pour offrir une certaine puissance aux batteries au plomb-acide de 12 volts typiques, votre alternateur n’est pas un chargeur de batterie.

Barre omnibus, l’accessoire non suspendu des batteries au phosphate de fer au lithium Interstate

Si vous possédez un bateau ou un VR, il y a un autre accessoire que les propriétaires de batteries LiFePO4 devraient envisager de récupérer : barres omnibus.

Les barres omnibus sont des tiges métalliques minces qui font le travail des câbles de batterie avec une meilleure conductivité et des connexions plus propres et plus sûres. La tige a deux trous pour les bornes de batterie. Le fait de fixer deux ou trois batteries avec des barres omnibus rend une rangée de batteries plus robuste.

Puisque les tiges sont plus épaisses que la plupart des câbles, la transmission d’énergie est plus efficace. Les câbles minces et les pinces crocodiles peuvent chauffer lorsque vous consommez des ampères, transformant l’électricité en chaleur plutôt que ce dont vous avez besoin. Donc, si vous utilisez un moteur de pêche à la traîne ou un barbecue, vos batteries peuvent ne pas durer aussi longtemps.

Les barres omnibus sont assez épaisses pour supporter plus d’ampères. C’est particulièrement important lorsque vous travaillez avec une banque de batteries au phosphate de fer au lithium. Les batteries LiFePO4 peuvent donner et prendre des charges à intensité élevée. Pour en tirer le meilleur parti, vous avez besoin de connexions conçues pour supporter cette charge.

McMartin a déclaré que son équipe a conçu sa barre omnibus pour une meilleure conductivité que les autres qui utilisent de l’aluminium. Les barres omnibus d’Interstate Batteries utilisent du cuivre plaqué nickel. Le cuivre agit comme un meilleur conducteur tandis que le nickel le protège de l’environnement, comme l’air salin corrosif.

Les barres omnibus résolvent également un problème affectant la plupart des configurations de batterie : Câbles déséquilibrés. Les câbles ont leurs propres problèmes de résistance interne, prenant plus d’espace autour des batteries et un mauvais transfert d’énergie drainant les batteries. Si vous utilisez des câbles de différentes longueurs pour connecter des batteries en série, ce déséquilibre ajoutera de nouveaux problèmes. Si un câble est beaucoup plus long que l’autre, vous coupez efficacement la quantité d’énergie que vous pouvez obtenir de la batterie. Les barres omnibus sont offertes en longueurs fixes pour une connexion sûre et équilibrée.

Quel est l’avenir des batteries au lithium?

Avec l’émergence de nouvelles technologies chaque année, quelle est la prochaine étape?

« Vous en avez probablement entendu parler. Le plus grand et le plus populaire que les gens connaissent est l’état solide », a déclaré McMartin. « Ils ont de la difficulté à le produire en masse. Certaines entreprises disent qu’elles ont brisé le code, mais je n’ai pas vu le produit sur le marché. »

Les batteries à semi-conducteurs portent leur nom parce que, contrairement à toutes les autres batteries, elles n’ont presque aucune séparation entre les deux polarités. Les batteries au plomb-acide, les batteries au lithium-ion et même les piles alcalines ont un troisième matériau entre l’anode et la cathode. Les batteries à semi-conducteurs n’auraient qu’une couche de nanomètres d’épaisseur à travers laquelle les ions pourraient sauter librement. Cependant, cette technologie pour la rendre indisponible.

McMartin a également vu de puissantes possibilités allant du lithium-sulfure au lithium-aluminium en passant par les batteries au sodium-ion. Il a vu des équipes développer des solutions de rechange. L’objectif de chaque innovation est de trouver une batterie plus sûre et durable.

Les possibilités sont aussi puissantes que la foudre.

Et il faut une marque puissante comme Interstate Batteries pour la prendre dans une bouteille. Ou une batterie.