Cet article explique en termes simples :

• comment fonctionne une batterie au lithium;
• les facteurs qui contribuent à son vieillissement prématuré;
• les étapes pour maximiser son espérance de vie.

 

Principe de la batterie au lithium

Tout comme les batteries au plomb-acide, les cellules au lithium sont constituées de plaques positives, de plaques négatives et d’électrolyte. Les plaques sont poreuses et absorbent complètement l’électrolyte de sorte qu’il n’y a pas de liquide en mouvement libre dans une batterie au lithium.

Dans une batterie au plomb, la charge et la décharge correspondent à des réactions chimiques qui transforment ses composants, alors que dans une batterie au lithium, ce sont les ions lithium qui se déplacent d’une plaque à l’autre.

Charge: Les ions lithium migrent dans l’électrolyte depuis l’électrode positive (LiFePo4) pour s’insérer dans la structure graphite de la plaque négative. L’électrode positive perd du lithium et lorsque la batterie est pleine, il ne reste que la structure cristalline du phosphate de fer (FePo4).

Décharge: Les ions lithium quittent la structure graphite de la plaque négative et s’insèrent de nouveau dans les cristaux de phosphate de fer pour recréer LiFePo4.

Les constituants d’une pile au lithium sont assez stables et dans les bonnes conditions ne sont pas beaucoup modifiés par ce processus «d’insertion». Mais d’autres phénomènes peuvent se produire et détériorer la batterie au fil du temps.

 

Tension trop élevée ou trop basse ainsi que température élevée ou trop basse
réduirnt l’espérance de vie d’une batterie au lithium

 

Qu’est-ce qui réduit la durée de vie d’une batterie au lithium ?

Le vieillissement est perçu comme une réduction de la capacité de la batterie. Une fois que la capacité est inférieure à 80% de la capacité nominale, la batterie a atteint la fin de sa durée de vie utile.

 

1 – Haute température

Lorsque la batterie est fabriquée, une réaction chimique est déclenchée pour construire une couche d’interface (appelée SEI) entre les plaques et l’électrolyte. Cette couche contribue à la stabilisation de la batterie. Mais au fil du temps, la couche SEI continue de croître au point d’être préjudiciable. Une température élevée contribue à accélérer l’accumulation de la couche SEI.

 

2 – Charge rapide, surcharge et tension trop élevée

Le «placage au lithium» se produit pendant la charge lorsque les ions lithium ne peuvent pas s’insérer dans la structure de l’électrode en graphite. Les ions lithium sont transformés en lithium métallique et ne contribuent plus au processus de charge et de décharge, réduisant ainsi la capacité de la batterie. Certaines des situations où cela se produit:

• Charge rapide lorsque le courant est supérieur au taux d’absorption du graphite. Le courant de charge ne doit pas dépasser 0.3C (60A pour une batterie 100Ah)

• Surcharge. Pour charger complètement une batterie, 3.4 volts par cellule (13.3 volts pour une batterie 12 V) sont suffisants. Tout ce qui précède surchargera et endommagera la batterie même si le courant de charge est très faible. En pratique, une charge à 3.45 volts max par cellule chargera rapidement la batterie à près de 100% SOC.

• Tension de “float” supérieure à la tension nominale (3.2 à 3.3 volts par cellule) lorsque la batterie est pleine et qu’il n’y a plus d’espace pour que les ions lithium s’insèrent dans le graphite.

 

3 – Charge à basse température

Le taux d’absorption du graphite diminue avec la température. Si le courant de charge est supérieur à ce taux d’absorption, alors un «placage métallique» se produit.

 

4 – Tension excessive

Une tension supérieure à 4.3 volts par cellule (17.2 volts pour une batterie de 12 volts) décompose l’électrolyte en gaz. La pression interne augmente, entraînant un bombement, des fissures et même une explosion de la batterie.

 

5 – Décharge trop profonde

Si une cellule se décharge en dessous de 2.0 volts (8 volts pour une batterie 12 volts), sa polarité s’inversera et l’anode (électrode de cuivre positive) se dissout dans l’électrolyte. Si cette batterie est rechargée, le cuivre précipite sur la cathode sous la forme de cristaux pointus qui peuvent court-circuiter les plaques.

 

6 – Court-circuit

Le courant de court-circuit d’une batterie au lithium peut atteindre 20 à 30 C (2000 à 3000 A pour une batterie de 100 Ah). Bien que les fabricants affirment que cela n’allumera pas une batterie en bon état, cela ne contribuera pas à prolonger la durée de vie de la batterie et les dommages à votre installation électrique peuvent être importants.