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Batterie au lithium-ion
spécifications de la batterie rechargeable
Poids / puissance 160 Wh/kg
Energie / volume de 270 Wh/L
Poids / puissance 1800 W/kg
L'efficacité de charge / décharge 99,9%[1]
Énergie / Prix 2,8 à 5 Wh/$ US[2]
taux d'auto-décharge 5% à 10% / mois
Durée de vie (24-36) mois
Lifecycles 1200 cycles
tension de cellule nominale 3.6 / 3.7 V
Température de charge

la batterie rechargeable connu sous le nom Batterie lithium-ion (Parfois abrégé Li-Ion) Est un type de batterie couramment utilisés dans 'l'électronique grand public. Il est actuellement l'un des types de batterie les plus populaires portatif et téléphone, ainsi que pour certains les voitures électriques, avec l'un des meilleurs rapports puissance / poids, on ne effet mémoire et une perte lente de la charge lorsqu'ils ne sont pas en cours d'utilisation. Ces piles peuvent être dangereuses si elles sont mal utilisées et si elles sont endommagées et en tout cas, à moins qu'ils ne sont pas manipulés avec soin, on suppose qu'ils peuvent avoir une durée de vie utile plus courte que d'autres types de batterie. Une version plus avancée de la batterie ions Le lithium est l 'lithium polymère.

Batterie au lithium-ion
Batterie au lithium-ion, Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne.
Batterie au lithium-ion
pile cylindrique, avant la fermeture (18650).

histoire

Gilbert N. Lewis Il a fait ses premières batteries au lithium 1912; les premières piles non rechargeables ont été créés dans le premier soixante-dix. La batterie rechargeable au lithium-ion qui a nécessité vingt plus années de développement avant qu'il ne soit suffisamment sûr pour être utilisé dans le marché de masse et la première version commerciale a été créé par Sony en 1991, suite à une recherche d'une équipe dirigée par John B. Goodenough.

Avantages et inconvénients

avantages

Les ions lithium peuvent être construits dans un large éventail de formes et de tailles de façon à remplir efficacement les espaces disponibles dans les périphériques qui les utilisent.

Ces batteries sont également plus léger que l'équivalent en d'autres produits chimiques et souvent très plus léger. En effet, les ions lithium Ils ont une densité de charges très élevées, le plus élevé de tous les ions qui se développent naturellement. Les ions lithium sont petites, plus rapidement mobile et stockable que ceux de hydrogène. En outre, sur une batterie à base de lithium est inférieure à une avec les éléments d'hydrogène, tels que les piles tous les 'batterie nickel-hydrure métallique et avec des gaz moins volatils. Les ions nécessitent moins d'intermédiaires pour le stockage, de sorte qu'il est possible d'affecter une plus grande part du poids de la batterie à la charge au lieu de l 'au-dessus.

Les batteries Li-ion ne souffrent pas de l'effet mémoire. Ils ont aussi un faible taux d'auto-décharge, environ 5% par mois, que plus de 30% par mois des piles à hydrure métallique nickel et 20% des mois à Nickel-cadmium. En fait, les batteries Li-ion, en particulier les batteries Li-Ion « stupide », ont aucun processus d'auto-décharge dans le sens habituel du mot[3], mais ils souffrent d'une perte permanente lente de la capacité, qui est décrit plus en détail ci-dessous. D'autre part, les batteries Li-Ion « intelligente » d'auto-décharge lentement, en raison de la faible consommation du circuit de surveillance de la tension qui y est inséré; cette consommation est la plus importante source d'auto-décharge de ces batteries.

inconvénients

Le principal inconvénient de la batterie au lithium-ion de la batterie est qu'il présente une dégradation progressive, même si elle n'a pas été utilisée: elle a une durée fixe de conservation, en Anglais durée de vie, à partir du moment de la fabrication, quel que soit le nombre de cycles de charge / décharge[4].

A un niveau d'efficacité de 100% batterie typique Li-Ion pour ordinateur portable chargé à 25% et stockés à 25 ° C perd jusqu'à 20% de sa capacité par an. Cependant, la batterie d'un ordinateur portable mal ventilé peut être exposé à des températures plus élevées, ce qui réduit encore la durée, en raison de la formation de dendrites de lithium[citation nécessaire]. Ce type de dégradation aggrave avec la rétention de plus en plus et de l'état de la température de charge.

Pour cette raison, les batteries Li-Ion ne sont pas adaptés pour être utilisés comme source d'énergie secondaire pour cette application, il est le plus approprié batteries plomb ou des batteries Ni-MH.

la puissance maximum qui peut être tirée en continu de la batterie dépend de la capacité, dans les appareils qui nécessitent une puissance élevée (par rapport à la capacité de la batterie exprimée en A · h), Les ordinateurs portables et les caméras vidéo, les batteries Li-ion ne parviennent souvent pas brusquement au lieu de montrer une diminution progressive de la durée d'utilisation de l'appareil. En revanche, les appareils qui nécessitent une faible puissance tels que les téléphones portables peuvent profiter de l'ensemble du cycle de vie de la batterie.

Une pile à simple Li-Ion ne doit jamais être déchargé en dessous d'une certaine tension afin d'éviter des dommages irréversibles. Par conséquent, tous les systèmes qui utilisent des batteries Li-Ion sont équipés d'un circuit qui arrête le système lorsque la batterie est déchargée en dessous du seuil prédéfini[5]. Il devrait donc être possible de décharger la batterie « profondément » dans un système conçu pour fonctionner correctement pendant une utilisation normale. Ceci est aussi l'une des raisons pour lesquelles les batteries lithium ne sont jamais vendus seuls aux consommateurs, mais seulement piles fini conçu pour adapter un système particulier.

Pour éviter des dommages permanents aux batteries dont le circuit de surveillance de tension est monté à l'intérieur de la batterie (la soi-disant « batterie intelligente ») plutôt que comme un équipement externe ne doit pas être stocké pendant de longues périodes complètement déchargées puisque le circuit tire de la batterie un petit courant même lorsqu'ils ne sont pas en cours d'utilisation.

Les batteries Li-Ion ne sont pas durables que celles au nickel-hydrure métallique ou nickel-cadmium et peuvent être dangereux en cas d'abus. Habituellement, ils sont aussi plus chers.

Un problème de batteries au lithium est la fourniture de la matière première: lithium est disponible dans la nature en quantité limitée et nécessite des procédés d'extraction particulièrement complexes et coûteuses; le marché est dans les mains de quelques producteurs: SQM, FMC et CHEMETALL.

Risque de batterie Li-ion

Batterie au lithium-ion
Exemple de lithium élargi ions lithium et contenue par son enceinte de confinement.

La chimie des batteries Li-Ion ne sait pas comment l'autre: une batterie Li-Ion peut exploser en cas d'échauffement ou trop chargé. Une batterie lithium-ion nécessite plusieurs systèmes de sécurité nécessaires à l'intérieur, avant qu'il ne puisse être considéré comme sûr pour l'usage commun. Ceux-ci comprennent un interrupteur thermique pour éviter la surchauffe en cas de surcharge et une languette de sécurité avec valve d'évent pour maintenir la pression interne au-dessous d'un seuil prédéterminé. En dépit de ces caractéristiques de sécurité, les batteries Li-Ion sont soumis à des appels fréquents à l'usine; En outre, les systèmes de contrôle occupent l'espace utile à l'intérieur de la pile et ajouter la possibilité supplémentaire d'échec. En général, dans le cas de problèmes dans ces systèmes, la batterie devient inutilisable de façon permanente et irréversible.

Le nombre de dispositifs de sécurité peut être comparée à celle de l'empilement au nickel-hydrure métallique, qui a seulement un système de recombinaison hydrogène / oxygène, afin d'éviter les dommages causés par une légère surcharge, et une soupape de sécurité pour éviter une surpression.

Les caractéristiques et la

  • la densité d'énergie spécifique: 150 à 200 W · h/kg (540-720) kJ/ Kg)
  • densité d'énergie volumétrique: 250 à 530 W · h / L (900 à 1900 J / cm3)
  • la densité de puissance spécifique: de 300 à 1500 W / kg (@ 20 secondes[6] et 285 W · h / L)

La réaction chimique typique de la batterie Li-Ion est la suivante:

Les batteries au lithium-ion ont une tension nominale de 3,6 ~ 3,7V, qui est la valeur moyenne entre la tension à pleine charge (4.2V) et qu'au-delà de ce qui ne devrait pas tomber (3.0 ~ 3.2V). La charge est effectuée à une tension constante avec limitation de courant. Cela signifie que la charge est effectuée à un courant constant jusqu'à ce que l'élément atteint presque la tension de 4.2V (pour la sécurité en général moins de quelques dizaines de millivolts à cette valeur), puis continue à la tension constante jusqu'à ce que le courant devient nul ou presque ( typiquement la charge est terminée à 7% du courant de charge initiale). Les anciens ions lithium ne peuvent pas être chargés rapidement et généralement besoin d'au moins 2 heures pour recharger complètement. La génération actuelle de batteries sont complètement rechargées en 45 minutes ou moins; certains atteignent la charge de 90% en seulement 10 minutes.

Les éléments des ions lithium en utilisant les matériaux suivants: l 'anode Il est fait avec carbone, la cathode est un oxyde métallique et l 'électrolyte est un sel de lithium en solvant organique. Parce que les conditions de charge anormale pourrait être produit lithium métallique, ce qui est très réactif et peut provoquer des explosions, les éléments de circuits batterie lithium-ion ont généralement intégré électronique de protection et / ou de fusibles pour empêcher l'inversion de polarité, surtension et la surchauffe.

Solide Electrolyte Interphase

Un élément particulièrement important pour activer batterie Batterie lithium-ion est l ' "interphase d'électrolyte solide" (SEI). Les électrolytes liquides dans les électrolytes au lithium ionique se composent de sels lithium, tels que le 'hexafluorophosphate (LiPF6), Le tétrafluoroborate (LiBF4), Ou perchlorate (LiClO4), Et des solvants organiques, tels que l'éther. Un électrolyte liquide conducteur d'ions lithium, qui agit comme un transport entre la cathode et l'anode quand la batterie est de faire passer un courant électrique à travers un circuit externe. Cependant, des électrolytes solides et des solvants organiques se décomposent facilement sur les anodes pendant la charge, ce qui empêche l'activation de la batterie. Cependant, quand des solvants organiques appropriés sont utilisés comme électrolytes, les électrolytes se décomposent et forment l'interface d'électrolyte solide de la première charge qui est électriquement isolante et hautement conducteur à ions lithium. L'interface empêche la décomposition de l'électrolyte après la seconde charge. Par exemple, le carbonate d'éthylène se décompose à une tension relativement élevée et forme une interface solide et stable. Cette interface est appelée SEI.

vue trioxyde d'uranium Pour plus de détails sur la façon de travailler la cathode. Alors que les oxydes d'uranium ne sont pas utilisés dans les batteries commerciales, la façon dont les oxydes d'uranium peuvent insérer réversiblement des cations est le même dans lequel fonctionne dans beaucoup de batteries lithium-ion.

Guide de l'extension de la durée de vie d'une batterie Li-Ion

  • Contrairement aux batteries Nickel-cadmium, Les batteries au lithium-ion doivent être chargées tôt et souvent.
  • Les piles au lithium ne doivent jamais être complètement déchargées (0%) et même les rejets conservés.
  • Une fois chargé, ils doivent être utilisés le plus tôt possible.
  • Pour la conservation des ions lithium, lorsqu'ils ne sont pas en cours d'utilisation pendant une longue période, est préférée, une charge d'environ 50%.
  • Les batteries Li-ion doivent être conservés au frais (idéalement dans un réfrigérateur). Le vieillissement est beaucoup plus rapide à des températures plus élevées. Par exemple, les températures élevées à l'intérieur des voitures, ce qui provoque une détérioration rapide de ces batteries.
  • Selon certaines sources[7], Les batteries Li-ion ne doivent pas gelé. Il convient de noter que la plupart des batteries Li-ion à geler à environ -40 ° C, beaucoup moins que la température la plus basse atteignable par la plupart du congélateur domestique.
  • Les batteries Li-ion doivent être achetés seulement si nécessaire, en raison du fait que le vieillissement commence à agir car ils ont été fabriqués.
  • Lorsque vous utilisez un ordinateur portable, connecté au réseau électrique pendant de longues périodes, la batterie peut être retirée et stockée dans un endroit frais, de sorte que ne souffre pas de la chaleur produite par l'ordinateur; Cependant, les batteries, lorsqu'il est inséré, prévenir la perte de données en mémoire pendant les surtensions et / ou panne d'électricité. De bonnes alternatives sont l'utilisation de piles presque épuisées, qui aident à compenser une brève panne d'électricité, ou l'utilisation d'un UPS.

Température de stockage et de charge

Le stockage d'un ion de lithium à une température et une charge corrigée fait la différence pour maintenir sa capacité de charge. Le tableau suivant indique la perte de charge permanent qu'il y a de stockage à un niveau de charge et des données de température.

perte de capacité permanente contre les conditions de stockage
Température de stockage 40% de frais 100% de frais
0 ° C (32 ° F) 2% perte après 1 an 6% perte après 1 an
25 ° C (77 ° F) 4% perte après 1 an 20% perte après 1 an
40 ° C (104 ° F) 15% perte après 1 an 35% perte après 1 an
60 ° C (140 ° F) 25% perte après 1 an 40% perte après 3 mois
Source: batteryuniversity.com[8]

Il y a un avantage important pour éviter de déposer une batterie au lithium-ion à pleine charge. Une batterie Li-Ion déposée à la charge de 40% va durer bien plus qu'un dépôt à 100%, en particulier à des températures élevées.

Si une batterie lithium-ion est déposée avec trop peu frais, il y a un risque pour permettre la charge de tomber en dessous du seuil de faible tension, entraînant une batterie irrécupérables. Une fois que la charge a chuté au-dessous de ce niveau, la recharge peut être dangereux. Un circuit de sécurité interne ouvert pour éviter la charge et la batterie sera complètement inutilisable à toutes fins pratiques.

Dans les cas où une deuxième batterie au lithium est disponible pour un certain outil, il est recommandé que la batterie de rechange est déchargée à 40% et mis au réfrigérateur pour prolonger sa durée de vie. Il est une bonne règle, une fois sorti du réfrigérateur, laissez réchauffer à la température ambiante pendant 24 heures avant une charge ou la décharge.

Problèmes de sécurité

Les ions lithium peuvent facilement se casser, prendre feu ou exploser quand ils sont exposés à des températures élevées ou en plein soleil. Ils ne devraient pas être conservés dans la voiture pendant la saison chaude. Court-circuiter une batterie au lithium peut provoquer un incendie et d'explosion.

Le conteneur d'une batterie Li-Ion ne doit jamais être ouvert pour une raison quelconque. Ils contiennent des dispositifs de sécurité: Si elle est endommagée, ceux-ci peuvent également provoquer un incendie ou une explosion de la batterie. Ces dispositifs de sécurité sont parfois inefficaces, par exemple dans le cas où il y a des contaminants à l'intérieur des batteries. Le rappel de plus de 10 millions de batteries utilisées dans un ordinateur portable Dell, pomme, Lenovo/IBM, Panasonic, Toshiba, Hitachi, Fujitsu et pointu par Sony à la mi-2006 a été une conséquence de la contamination interne par des particules métalliques. Dans certains cas, ceux-ci peuvent percer le séparateur, un court-circuit et à convertir rapidement toute l'énergie dans la pile de chaleur[9]. Le rappel de batteries d'ordinateurs portables pour Dell moitié de 2006 n'a pas été la première, mais seulement le plus grand. Au cours de la dernière décennie, il y a eu de nombreux rappels de batteries lithium-ion dans les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables en raison de problèmes de surchauffe. En Décembre 2009, Dell a reculé d'environ 22 000 batteries du marché américain. En 2004, Kyocera Wireless a rappelé environ un million de batteries utilisées dans les téléphones[10].

Kuzhikalail M. Abraham, consultant sur les batteries au lithium des sciences de E-Kem, dit que l'industrie a poussé les ordinateurs pour augmenter la capacité de la batterie peut tester les limites de composants sensibles tels que le séparateur à membrane, un film de polyéthylène ou polypropylène d'épaisseur seulement 20-25 iM. Il souligne que la densité énergétique des batteries au lithium-ion a plus que doublé depuis leur introduction en 1991. Il dit: « Lorsque la batterie emballée avec de plus en plus de matériel, le film peut subir le stress. »

« Il est possible de remplacer la cathode en oxyde de lithium et de cobalt dans les cathodes de batteries lithium-ion avec du phosphate de métal lithié, qui n'explose pas et a également une durée de vie plus grande. Mais pour le moment, ces batteries plus sûres semblent surtout destinées à les voitures électriques et d'autres applications nécessitant une grande capacité, et où les problèmes de sécurité sont plus critiques ... Le fait est que le phosphate de métal lithié ne détient que 75 pour cent de la capacité ... "[11].

nouvelles technologies

en Février 2005 Altair NanoTechnology[12], une petite marque Reno (Nevada), Il a annoncé un matériau pour les électrodes des batteries au lithium de dimensions nanoscopiques. Le prototype de batterie a trois fois la puissance des batteries actuelles et peut être entièrement rechargée en six minutes.

En Mars 2005, Toshiba a annoncé une nouvelle batterie au lithium de charge rapide, basé sur une nouvelle technologie des nanomatériaux, donnant ainsi une recharge encore plus rapide, une plus grande capacité et un cycle de vie plus longue. La batterie sera utilisée principalement dans les secteurs industriels ou dans le camionnage[13].

En Novembre 2005, a annoncé A123Systems[14] une nouvelle batterie plus puissante et plus rapide rechargeable[15][16] basé sur une recherche autorisée par le MIT. Leur première pile[17] Il est dans la production (2006) et est utilisé dans les outils électriques[18] et Hybrids plus les transformations[19] Prius PHEV (Même si la conversion de la voiture coûte de l'argent, principalement en raison du coût des batteries).

Toutes ces formulations impliquent de nouvelles électrodes. L'augmentation de la surface effective de l'électrode - en diminuant la résistance interne de la batterie - le courant peut être augmenté à la fois pendant l'utilisation et pendant la recharge. Ceci est similaire à l'évolution obtenus par le supercondensateur. Par conséquent, la batterie est capable de développer plus de puissance (en watts); Cependant, la capacité de la batterie (Ah) augmente légèrement.

En Avril 2006, un groupe de scientifiques de la MIT Il a annoncé qu'il avait trouvé un moyen d'utiliser le virus pour former des câbles nanoscopiques qui peuvent être utilisés pour construire des piles à la batterie lithium-ion ultra-mince avec trois fois la densité énergétique normale[20].

En 2009 a vu 400 BlueHYBRID de la nouvelle Mercedes-Benz l'insertion intégrée des ions lithium à l'intérieur du circuit de conditionnement de l'air de la voiture, avec l'avantage de toujours fonctionner la batterie à une température optimale (15-35 ° C) et d'augmenter la longévité et l'efficacité de fonctionnement. Daimler, le constructeur automobile en question, il est à un stade avancé de réalisation d'un type particulier de cellule plat pour accueillir la batterie qui offre une haute densité d'énergie dans un faible encombrement et à des niveaux élevés de sécurité.

Des développements plus récents

En Juin 2006 chercheurs France Ils ont créé une des électrodes de batterie nanostructures d'une capacité d'un montant de plusieurs fois la capacité d'énergie, pour le poids et le volume des électrodes conventionnelles[21].

À la fin de 2009, nous avons présenté une solution pour résoudre le problème de l'explosion d'une de ces batteries court-circuitées, il est d'insérer les réactifs qui bloquent la réaction chimique lorsque la batterie atteint 130 ° C, ce qui évite l'explosion du fait[22].

Une autre solution possible ou palliatif au problème de l'explosion de la batterie a été présenté par pomme, qui a présenté un schéma d'une batterie munie d'un boîtier de recouvrement muni de poches et les points faibles pour l'évacuation des vapeurs produites pendant un court-circuit[23].

notes

  1. ^ Isidor Buchmann, [batteryuniversity.com/partone-12.htm BatteryUniversity.com: batteries lithium-ion de charge] , Cadex Electronics Inc. en Mars., 2006
  2. ^ http://www.werbos.com/E/WhoKilledElecPJW.htm (Quels liens vers http://www.thunder-sky.com/home_en.asp)
  3. ^ (FR) Spécifications de batteries lithium-ion
  4. ^ (FR) HowStuffWorks - Comment batteries lithium-ion travail
  5. ^ (FR) Gold Peak Industries Ltd., Manuel technique au lithium-ion
  6. ^ (FR) Article du site E-one.com
  7. ^ L.M. Christ, T. B. Atwater, Caractéristiques et comportement de 1M LiPF6 1EC: 1DMC Electrolyte à basse température, Fort Monmouth, NJ, États-Unis Armée de recherche.
  8. ^ (FR) Batteryuniversity.com/parttwo-34.htm BatteryUniversity.com
  9. ^ (FR) article rédigé par The Inquirer
  10. ^ Tullo, Alex. "Dell rappelle des batteries au lithium." Nouvelles chimiques et du génie Le 21 Août 2006: 11
  11. ^ (FR) article rédigé par New York Times
  12. ^ (FR) Site Altair NanoTechnology
  13. ^ (JA) Depuis le site Web de Toshiba
  14. ^ (FR) Communiqué de presse sur le site A123Systems
  15. ^ (FR) Actes du Congrès Green Car 2009
  16. ^ (FR) Communication sur Yahoo! Groupes
  17. ^ (FR) de Hybrids-plus.com
  18. ^ (FR) outils électriques DeWalt
  19. ^ (FR) De plus Hybrids
  20. ^ (FR) science Magazine
  21. ^ (FR) Article rédigé par la technologie Review.com
  22. ^ Explosion des batteries, cauchemar a pris fin avec StoBa
  23. ^ Apple a un brevet pour une batterie qui explose

Articles connexes

  • batterie au lithium-polymère
  • phosphate de fer et de lithium de l'accumulateur
  • le chlorure de lithium-thionyle Batterie
  • voiture électrique
  • Liste des types de batterie
  • Histoire de la voiture électrique
  • Tesla Roadster (Californie sport électrique de Tesla Motors, capable de 0 à 100 km / h en 4 secondes)
  • Toyota Eliica (voiture électrique Toyota, avec des batteries Li-ion)

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liens externes

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