Pourquoi les batteries lithium-ion sont-elles importantes ?

Qu’est-ce qu’une cellule 18650 ?

Le monde s’éloigne de plus en plus des combustibles fossiles et deviendra un jour totalement électrique.

Chaque fois que la planète a adopté une nouvelle façon de produire de l’énergie, que ce soit le feu, la vapeur ou le diesel, cela a entraîné des améliorations fondamentales et de grande portée dans nos vies. C’est pourquoi nous pensons que l’énergie électrique stockée dans les batteries aura des implications majeures pour le monde au cours des vingt prochaines années, car des technologies telles que les véhicules électriques, les maisons intelligentes, la robotique et la collecte d’énergie solaire pourront atteindre leur plein potentiel énergétique grâce à ces nouveaux moyens.

Le lithium-ion est la chimie la plus prometteuse parmi toutes les batteries. Les fabricants de batteries lithium-ion progressent régulièrement et les objectifs de densité énergétique nécessaires à une transition énergétique complète semblent atteignables. De grands investissements comme la Gigafactory de Tesla confirment leur rôle en tant que producteurs de la prochaine génération de batteries nécessaires pour révolutionner le stockage de l’énergie.

Forme

Les fines feuilles métalliques qui composent les anodes et les cathodes de la cellule sont empilées les unes sur les autres puis enroulées très serrées. Les ions lithium se déplacent entre ces couches, dans une direction lorsque la batterie se charge et dans la direction opposée lorsqu’elle se décharge. L’ensemble compact d’anodes et de cathodes est compressé dans un cylindre en acier rigide avec une extrémité ouverte, puis fermé par le pôle positif et scellé. Les cellules lithium-polymère, ou li-po, peuvent quant à elles adopter différentes formes.

Taille

La batterie 18650 (18 mm par 65 mm) est un type de classification basé sur la taille des batteries lithium-ion. Si vous en avez déjà tenu une dans la main, vous avez probablement remarqué qu’elle a la même forme, mais qu’elle est légèrement plus grande qu’une pile AA. Les piles AA sont parfois appelées batteries 14500, car elles ont un diamètre de 14 mm et une hauteur de 50 mm. Les batteries cylindriques lithium-ion suivent la même nomenclature, leur nom étant déterminé par leur taille (diamètre suivi de la hauteur).

Prix

Les deux spécifications les plus importantes pour les cellules 18650 sont la capacité mesurée en mAh (milliampères-heures) et la décharge continue maximale mesurée en A (ampères). Lors du choix d’un type de batterie, il faut privilégier l’une ou l’autre. Les batteries à haute capacité sont plus chères. Les batteries à forte décharge continue et à haut ampérage ont généralement une capacité plus faible. En 2015, les batteries à plus haute capacité typiques étaient d’environ 3 500 mAh, et les batteries au plus fort ampérage atteignaient 30 A.

Contrefaçons

Les cellules et batteries contrefaites constituent un problème croissant. Elles sont souvent dangereuses et affichent des spécifications exagérées. De nombreuses batteries usagées sont reconditionnées comme neuves et vendues sous étiquette blanche. Les mesures anti-contrefaçon sont très importantes pour les détaillants et fabricants afin de garantir la sécurité des utilisateurs.

Économie

Plus de 40 % des batteries dans le monde sont au lithium-ion. La batterie 18650 est l’un des types les plus largement produits, car on la retrouve dans les ordinateurs portables, outils électriques, robots, véhicules électriques, vaporisateurs, installations solaires et presque toute application nécessitant un stockage efficace d’énergie électrique. Le coût de fabrication d’une 18650 est passé de moins de 10 € pour environ 1 500 mAh (il y a vingt ans) à moins de 2 € pour environ 3 000 mAh (aujourd’hui). À mesure que le coût par kilowattheure diminue, de nouvelles applications et usages apparaissent pour exploiter cette technologie.

Assemblages

Lorsqu’on parle spécifiquement de batteries lithium-ion, il est important de distinguer entre une cellule et une batterie. Une cellule est généralement définie comme un élément individuel non protégé. Une batterie est un ensemble plus large composé de plusieurs cellules avec un circuit imprimé central (PCB) servant de BMS (système de gestion de batterie). Presque toutes les cellules 18650 sont vendues pour être assemblées en batterie ou en pack batterie. Le circuit de protection assure des fonctions essentielles comme la protection contre la surcharge et l’équilibrage des charges.

Sécurité

La chimie des batteries lithium-ion devient chaque année plus sûre. Les cellules sont désormais très résistantes et ne posent généralement aucun problème. Cependant, dans certaines circonstances, elles peuvent dysfonctionner en raison d’une mauvaise manipulation, comme un court-circuit ou une perforation. Des accidents d’avion ont également été liés à des phénomènes d’emballement thermique des batteries lithium-ion (probablement déclenchés par des variations de pression), ce qui rend l’expédition de batteries 18650 par voie aérienne de plus en plus difficile.

Tension

Les cellules 18650 sont généralement classées à 3,6 V, 3,7 V et parfois 3,65 V. La plage de tension complète pour la plupart des 18650 se situe entre 2,5 V et 4,2 V. Dépasser ou descendre en dessous de cette plage pendant la charge ou la décharge peut entraîner une génération de chaleur, de fumée, un incendie ou une explosion.

Amélioration

Chaque année, la capacité des batteries lithium-ion augmente d’environ 8 %. Cela peut sembler lent, mais cela représente une croissance exponentielle. Au sein d’une même chimie, l’amélioration est linéaire. De nouvelles générations de batteries avec de nouveaux paradigmes chimiques sont donc nécessaires pour maintenir cette croissance exponentielle. On prévoit que cette progression se poursuivra pendant au moins 25 ans.

Expédition

L’expédition des batteries lithium-ion est notoirement complexe, car elles sont classées parmi les produits les plus dangereux au monde en raison de leur nature potentiellement explosive à bord des avions. Les réglementations en matière d’emballage et de douane sont très strictes et il est essentiel de se tenir informé des changements réglementaires dans différents pays. Les packs de batteries personnalisés nécessitent une licence spéciale de l’ONU, coûtant des dizaines de milliers d’euros, pour être autorisés à bord d’avions cargo. Le transport maritime est moins réglementé, mais présente également ses avantages et ses inconvénients.

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