Structure et fonctionnement des batteries au lithium-ion

Le fonctionnement des batteries lithium-ion est particulier. C’est grâce à sa composition de différentes cellules individuelles que l’accumulateur produit de l’énergie. Grâce à leur structure spéciale et aux matériaux utilisés, ils garantissent une performance élevée et leur capacité reste constante même en cas d’utilisation prolongée. Ces batteries innovantes peuvent également être rechargées à tout moment, ce qui permet de les utiliser sans problème pour plusieurs équipes. Pour en savoir plus sur la structure des batteries lithium-ion, les métaux qu’elles contiennent et le fonctionnement des batteries, consultez notre guide.

Un petit paquet puissant – Composants des batteries lithium-ion

Une batterie lithium-ion se compose de nombreuses cellules individuelles. Chacune de ces cellules a toujours la même structure et contient les éléments suivants :

• Électrode positive : la cathode de la batterie lithium-ion est composée d’oxyde métallique de lithium, qui peut contenir des proportions variables de nickel, de manganèse et de cobalt. Les oxydes métalliques sont également appelés métaux de transition.
• Électrode négative : l’anode est généralement fabriquée en graphite.
• Électrolyte : pour que les ions de lithium puissent se déplacer dans la cellule en tant que porteurs de charge, il y a en outre un électrolyte anhydre. Des sels comme l’hexafluorophosphate de lithium y sont dissous dans un solvant aprotique comme le carbonate de diéthyle. Pour les batteries lithium-polymère, on utilise à cet endroit un polymère de polyfluorure de vinylidène ou de polyfluorure de vinylidène-hexafluoropropène.
• Séparateur : pour éviter les courts-circuits, un séparateur en non-tissé ou en film polymère est installé entre les électrodes. Le séparateur est perméable aux ions de lithium et peut absorber de grandes quantités d’ions.

Le séparateur – essentiel pour le fonctionnement des batteries lithium-ion

Les piles lituium-ion ont un fonctionnement particulier. Le séparateur intégré dans les batteries lithium-ion contrôle et sécurise les réactions électrochimiques à l’intérieur de la batterie lithium-ion. D’une part, il isole les deux électrodes l’une de l’autre afin d’éviter les courts-circuits internes. En même temps, la construction perméable spéciale garantit que seuls les ions de lithium peuvent passer à travers et se déplacer entre l’électrode négative et l’électrode positive. En outre, le séparateur garantit l’échange de gaz dans les cellules fermées des batteries au lithium.

Pour cela, le composant doit être fabriqué à partir de membranes microporeuses qui peuvent varier en fonction de la puissance et de la taille de la batterie. Pour cela, on utilise soit des films polymères (comme dans les batteries lithium-polymère), soit des séparateurs céramiques résistants à la chaleur. Grâce à la combinaison de matériaux non tissés et d’un revêtement céramique, les séparateurs sont particulièrement flexibles tout en étant résistants à des températures allant jusqu’à 700° C. Les séparateurs en céramique peuvent être utilisés dans les batteries de voiture.

Le système de gestion de la batterie – optimisation des fonctions

Lorsque plusieurs cellules sont assemblées en un module, celui-ci contient généralement un système de contrôle intégré. Le principal composant électrique est le système de gestion de la batterie ou Battery Management System (BMS). Celui-ci se compose de plusieurs parties : L’OBS (one board sense) et le SCU (stack control unit) se trouvent sur le module ; le BCU (battery control unit) regroupe toutes les informations des différents modules. Dans son ensemble, le BMS fait office d’interface entre l’appareil et la batterie. En outre, il optimise la capacité, l’énergie et la puissance de la batterie, il empêche également une décharge profonde de batterie lithium-ion en cas de stockage prolongé et prolonge ainsi sa durée de vie.

Des métaux de haute qualité pour une structure fonctionnelle des batteries Li-ion

La construction qui permet au lithium sous forme ionisée de se déplacer entre les électrodes est à l’origine du nom des batteries lithium-ion. En fonction des matériaux utilisés pour les électrodes, les batteries Li-ion sont classés en différents groupes. Le fonctionnement des batteries lithium-ion reste le même, mais la densité énergétique, la tension des cellules, la sensibilité à la température, la capacité et le courant de charge et de décharge autorisé peuvent varier en raison de l’utilisation de différents ions de métal de transition. Les batteries au lithium-ion peuvent être construites comme suit

• Batteries lithium-polymère : l’électrolyte utilisé ici est un film à base de polymère qui a la consistance d’un gel. Cette structure permet de fabriquer des batteries particulièrement petits (moins de 0,1 mm d’épaisseur) et de différentes formes. Avec une densité énergétique pouvant atteindre 180 Wh/kg, ils sont très performants, mais fragiles sur le plan mécanique, électrique et thermique.
• Batteries au lithium-dioxyde de cobalt : l’électrode positive de ce type de batterie est constituée de lithium-dioxyde de cobalt. L’anode est en graphite. Les batteries de ce type ont tendance à être thermiquement fissurés en cas de surcharge.
• Batteries au lithium-titanate : ici, les électrodes négatives ne sont pas en graphite, mais en spinelle de lithium-titanate fritté. Elles permettent une capacité de charge rapide exceptionnelle ainsi qu’un fonctionnement à des températures basses, jusqu’à -40° Celsius. Les électrodes positives sont à leur tour composées d’oxyde de titane et de lithium.
• Batteries au lithium-phosphate de fer : les cellules de ce type de batteries ont chacune une cathode en lithium-phosphate de fer. L’électrolyte est ici présent sous forme solide. Les batteries de ce type présentent une densité énergétique plus faible, jusqu’à 110 Wh/kg, mais ne sont pas sujets à la rupture thermique en cas d’endommagement mécanique. La courbe de tension de décharge indique un effet de mémoire pour ces batteries, qui est toutefois très faible par rapport aux batteries NiCd.

Le fonctionnement des batteries lithium-ion lors de la charge et de la décharge

Les batteries lithium-ion fonctionnent selon un principe simple : l’énergie électrique est stockée dans les batteries lithium-ion par un processus chimique et peut être utilisée pour alimenter des appareils de réception tels que des gerbeurs électriques. Le fonctionnement repose essentiellement sur le mouvement constant du lithium ionisé entre les électrodes. Le flux d’ions lithium compense le flux de courant externe lors de la charge et de la décharge des batteries, de sorte que les électrodes elles-mêmes restent électriquement neutres :

1. Décharge

Lorsque la batterie est déchargée, c’est-à-dire lorsque l’énergie stockée est utilisée par un terminal, les atomes de lithium de l’électrode négative libèrent chacun un électron. Celui-ci revient à l’électrode positive via le circuit électrique externe. Au cours de la même étape, les ions de lithium se déplacent en nombre égal de l’électrode négative vers l’électrode positive en passant par l’électrolyte et le séparateur. Les électrons sont absorbés à l’électrode positive par des ions fortement ionisés appelés métaux de transition. Ceux-ci peuvent être différents selon le type de batterie. Contrairement aux ions lithium, ils ne sont pas mobiles.

2. Recharge

Lors de la charge des cellules de la batterie, les atomes de lithium non ionisés se déplacent de l’électrode positive vers l’électrode négative en passant par le séparateur. Ils sont alors intercalés entre des molécules de graphite. Ce processus est également appelé intercalation et est déclenché par la charge avec un courant constant jusqu’à ce que le courant nominal soit atteint. Lorsque la tension de fin de charge est atteinte, elle est maintenue tandis que le courant de charge diminue.

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