Charge et décharge des cellules / batteries Li-ion

Découvrez comment prolonger la durée de vie de votre batterie en utilisant les meilleures méthodes de charge

La charge et la décharge des batteries produisent une réaction chimique, mais avec les ions lithium il existe une exception. Les scientifiques parlent de l’énergie qui entre et sort de la batterie comme faisant partie du mouvement des ions entre l’anode et la cathode. Si cela était totalement vrai, la batterie durerait éternellement, mais ce n’est pas le cas. Ils attribuent la perte de capacité aux ions piégés, mais comme pour tous les systèmes de batteries, la corrosion interne et d’autres effets dégénératifs, également appelés réactions parasites dans l’électrolyte et les électrodes, jouent un rôle important.

Le chargeur Li-ion est un dispositif limitateur de tension qui présente des similitudes avec les systèmes au plomb-acide. Les différences résident dans une tension plus élevée par cellule, des tolérances de tension plus strictes et l’absence de charge d’entretien ou flottante à pleine charge. Alors que le plomb-acide offre une certaine flexibilité en matière de tension de coupure, les fabricants de Li-ion sont très stricts sur le réglage correct car le Li-ion ne tolère aucune surcharge. Le soi-disant « chargeur miracle » qui promet de prolonger la durée de vie et d’augmenter la capacité n’existe pas. Le Li-ion est un système « propre » qui n’absorbe que ce qu’il peut accepter.

Charge des batteries Li-ion à base de cobalt

Nous faisons référence aux batteries Li-ion fabriquées avec des matériaux cathodiques traditionnels à base de cobalt, nickel, manganèse et aluminium, généralement chargées à 4,20 V / cellule. La tolérance est de +/- 50 mV / cellule. Certaines variantes à base de nickel se chargent à 4,10 V / cellule ; les Li-ion haute capacité peuvent atteindre 4,30 V / cellule. L’augmentation de la tension accroît la capacité, mais dépasser les spécifications peut surcharger la batterie. Les circuits de protection intégrés empêchent de dépasser la tension définie.

La figure 1 montre la variation de tension et de courant lorsque le Li-ion traverse les phases de charge. La charge complète est atteinte lorsque le courant diminue entre 3 % et 5 % de la capacité nominale en Ah.

Figure 1 : Étapes de charge des ions lithium. Le Li-ion est entièrement chargé lorsque le courant chute à un niveau défini. Au lieu d’une charge d’entretien, certains chargeurs appliquent une recharge lorsque la tension baisse.

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L’élévation de température pendant la charge d’une cellule d’énergie se situe entre 0,5C et 1C et le temps de charge complète est d’environ 2 à 3 heures. Les fabricants recommandent de charger à 0,8C ou moins pour prolonger la durée de vie. L’efficacité de charge est d’environ 99 % et la cellule reste froide pendant la charge.

Certaines batteries Li-ion peuvent connaître une augmentation de température d’environ 5 ºC lorsqu’elles atteignent la pleine charge. Suspendez l’utilisation si la température dépasse 10 ºC dans des conditions normales.

La charge complète se produit lorsque la batterie atteint le seuil de tension et que le courant chute à 3 % du courant nominal.

Augmenter le courant de charge ne raccourcit pas nécessairement le temps total. Une charge à courant élevé remplira rapidement la batterie à environ 70 %, mais la phase de saturation prendra plus de temps.

Une batterie Li-ion n’a pas besoin d’être complètement chargée, et il est même préférable d’éviter la charge maximale afin de réduire le stress lié à la haute tension.

Certains chargeurs industriels abaissent volontairement le seuil de tension pour prolonger la durée de vie. La saturation complète peut augmenter la capacité d’environ 10 %, mais au prix d’un stress plus élevé.

Figure 3 : Volts / Capacité en fonction du temps de charge Li-ion.
La capacité suit la tension avec retard, comme soulever un poids avec un élastique.

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Mesurer la tension en circuit ouvert (OCV) après quelques heures de repos est le meilleur indicateur de l’état de charge.

Les batteries Li-ion ne doivent pas être surchargées. Une fois complètement chargées, le courant doit être interrompu.

Après la charge, la tension diminue progressivement et se stabilise entre 3,70 V et 3,90 V / cellule.

Certains chargeurs appliquent une recharge d’appoint lorsque la tension chute à environ 4,05 V / cellule.

Un appareil portable doit idéalement être éteint pendant la charge afin d’éviter les charges parasites qui peuvent provoquer des mini-cycles et du stress.

Charge des batteries Li-ion sans cobalt

Le LiFePO (phosphate de fer-lithium) a une tension nominale de 3,20 V et se charge à 3,65 V. Le Li-titanate (LTO) a une tension nominale de 2,40 V et se charge à 2,85 V.

Les chargeurs doivent être adaptés au type spécifique de chimie. Utiliser un chargeur inadapté peut entraîner une sous-charge ou une surcharge.

Surcharge des ions lithium

Le Li-ion fonctionne en toute sécurité dans ses plages de tension spécifiées. Une surcharge au-delà de 4,30 V / cellule peut entraîner un placage de lithium métallique, une instabilité du matériau cathodique et une augmentation de pression pouvant mener à une combustion.

Les batteries sont plus sûres à un faible niveau de charge ; c’est pourquoi le transport aérien impose souvent un état de charge de 30 %.

Les seuils thermiques varient selon la chimie : environ 130–150 ºC pour Li-cobalt, 170–180 ºC pour NMC et 250 ºC pour Li-manganèse.

Un chargeur correctement conçu est essentiel pour la sécurité.

Résumé

La charge des batteries Li-ion est plus simple que celle des systèmes au nickel. Le processus peut être interrompu sans dommage et ne nécessite pas de charge d’entretien.

La plupart des chargeurs grand public chargent à 100 % sans option d’ajustement. Les véhicules électriques et satellites évitent la charge complète afin de prolonger la durée de vie.

Directives simples pour charger les batteries au lithium

• Éteignez l’appareil pendant la charge afin de permettre une saturation correcte.
  
  
• Chargez à température modérée ; ne chargez pas à température négative.
  
  
• Une charge partielle est préférable à une charge complète.
  
  
• Un indicateur à 100 % peut ne pas signifier une charge totalement saturée.
  
  
• Arrêtez l’utilisation si la batterie surchauffe.
  
  
• Stockez la batterie à environ 40–50 % de charge.

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