Vous les avez probablement vus sur votre ordinateur portable. Ils sont sur votre téléphone. Il alimente les PDA et les lecteurs multimédias que nous transportons. La raison pour laquelle ces appareils existent sous leur forme actuelle est simple. Les batteries lithium-ion offrent une grande quantité d’énergie par rapport à leur poids. C’est également l’une des options rechargeables les plus puissantes du marché.
Mais vous avez probablement entendu des histoires d’horreur. Les batteries au lithium-ion peuvent prendre feu. C’est rare, avec environ deux ou trois packs sur un million connaissant cette panne. Mais en cas d’échec, les conséquences sont violentes. Les taux de défaillance peuvent monter en flèche, déclenchant des rappels mondiaux et coûtant des millions de dollars aux fabricants.
Alors pourquoi sont-ils si populaires ? Pourquoi ça prend feu ? Que pouvons-nous réellement faire pour l’empêcher ou le faire durer ? Nous démontons la science et la sécurité.
Avantages de la densité énergétique
La technologie lithium-ion est courante car elle surpasse la chimie traditionnelle dans presque tous les paramètres importants pour les consommateurs.
Le premier est le poids. Une batterie lithium-ion typique peut stocker 150 wattheures d’énergie dans un seul kilogramme. Par rapport à d’autres types courants, la différence est énorme. Les batteries NiMH (nickel métal hydrure) peuvent stocker 100 wattheures par kilogramme, mais 60 à 70 wattheures sont plus courantes. Batteries au plomb ? Difficile de stocker 25 wattheures par kilo.
Pour obtenir la même énergie du plomb-acide, vous avez besoin d’une batterie de 6 kg. C’est une différence de 6x. Les électrodes sont constituées de lithium léger et de carbone. Le lithium est très réactif. Ses liaisons atomiques stockent de grandes quantités d’énergie, conférant aux batteries lithium-ion une densité énergétique élevée.
Pas d’effet mémoire et autodécharge lente
Mis à part le poids, ces batteries tiennent bien mieux leur charge que leurs prédécesseurs. Les batteries lithium-ion ne perdent qu’environ 5 % de leur charge par mois. Les batteries NiMH perdent 20 % de leur charge. Si vous laissez les appareils seuls pendant un mois, vous ne partez pas de zéro.
Il n’y a pas non plus d’effet mémoire. Il n’est pas nécessaire de le vider complètement avant de le recharger. Cette commodité a changé la façon dont nous utilisons les appareils électroniques portables. Chargez votre batterie quand nous le voulons, pas parce que la batterie l’exige.
Les batteries lithium-ion peuvent supporter des centaines de cycles de charge-décharge sans dégradation significative. Pour l’utilisateur moyen, cela signifie des années de service fiable.
Les défauts : dégradation et danger
Ces batteries ne sont pas parfaites. Ils ont de sérieuses faiblesses.
La détérioration commence dès la sortie de l’usine. La durée de vie des batteries lithium-ion est de 2 à 3 ans à compter de la date de fabrication. Même si vous ne l’ouvrez pas, le temps les tue.
La chaleur est leur ennemie. Les températures élevées entraînent une usure beaucoup plus rapide que la normale des batteries lithium-ion. Laisser votre téléphone dans une voiture chaude peut réduire sa durée de vie.
Les batteries lithium-ion tombent en panne si elles sont complètement déchargées. Une décharge profonde détruit définitivement les produits chimiques.
Vous avez également besoin d’un ordinateur de bord pour contrôler l’appareil. Cela ajoute du coût et de la complexité. Les batteries lithium-ion nécessitent ce système de gestion pour éviter les surcharges et les décharges excessives. Cela les rend plus chères que les simples batteries.
Il existe également un risque d’incendie. Si la batterie lithium-ion ne fonctionne pas, il y a un faible risque qu’elle prenne feu. Il ne s’agit pas seulement d’un risque théorique. Il s’agit d’un danger connu et les fabricants s’efforcent constamment de le réduire.
Chimie interne
Pour comprendre pourquoi ces batteries se comportent comme elles le font, nous devons examiner leur intérieur. La chimie détermine tout, depuis la raison pour laquelle quelque chose est léger jusqu’à la raison pour laquelle il explose. Nous y reviendrons ensuite.
Vous ne trouverez rien de magique en démontant la batterie d’un ordinateur portable. Ce ne sont que des cellules et des circuits. Ceci n’est pas recommandé. Un court-circuit dans les batteries lithium-ion peut provoquer un incendie. Mais une fois que vous pourrez le démonter en toute sécurité, vous constaterez que sa structure interne est étonnamment cohérente, quel que soit la marque ou le modèle.
Le noyau est constitué d’une batterie lithium-ion. Ils se présentent sous deux formes principales. Les piles cylindriques ressemblent à des piles AA surdimensionnées. Les cellules prismatiques sont des rectangles plats. Ils sont empilés ou enveloppés dans une coque métallique. Cette coque n’est pas seulement un emballage. Cela maintient la pression. Lorsque la pression interne devient trop élevée en raison de la chaleur ou d’une surcharge, l’évent s’ouvre. Cela libère du gaz. La batterie est probablement morte après cela. Il s’agit d’un appareil de sécurité. Évitez les scénarios d’explosion. Il existe également des commutateurs à coefficient de température positif (PTC). Il coupe le courant si les choses deviennent trop chaudes.
Mais la vraie histoire, c’est le contrôleur.
Un cerveau dans une brique
Enfouie parmi les cellules se trouve une petite carte système. Il s’agit essentiellement d’un microcontrôleur. Ce système de gestion de batterie s’occupe de tout.
La surveillance et le contrôle comprennent :
- Le capteur de température vérifie en permanence le niveau de température.
- Les convertisseurs et régulateurs de tension maintiennent le courant et la tension dans des limites sûres.
- Connecteur protégé pour ordinateur portable permet à l’alimentation et aux données de circuler entre la batterie et l’ordinateur portable.
- Voltage Tap surveille la capacité énergétique de chaque batterie.
- Charging Status Monitor fonctionne comme un mini-ordinateur. Ajustez le processus de téléchargement pour maximiser la vitesse et la saturation.
Cet ordinateur est complexe. Il fonctionne en prenant sa propre énergie de la batterie. Les batteries lithium-ion ont une faible consommation d’énergie et perdent environ 5 % de leur charge par mois lorsqu’elles ne sont pas utilisées.
Pourquoi ma batterie est-elle vide ?
Le système de gestion a des règles strictes. Si la batterie devient trop chaude pendant l’utilisation ou le chargement, le contrôleur coupe l’alimentation. Il essaie de se calmer. Vous avez peut-être déjà vu cela. Laissez votre ordinateur portable dans une voiture chaude. Essayez de l’allumer. Le contrôleur de batterie empêche le démarrage. Attendez que la température baisse.
Il surveille également la santé de vos cellules. Le bloc batterie s’éteint lorsque la batterie est complètement vide. Une décharge profonde peut détruire les batteries lithium-ion. Le contrôleur ne vous permettra pas d’utiliser un pack endommagé.
Il suit également les cycles de charge/décharge. Ces informations sont introduites dans le compteur de batterie de l’ordinateur portable. C’est ainsi que le système d’exploitation sait combien d’énergie il reste. Ce n’est pas une supposition. Il reçoit des données en temps réel de l’ordinateur de bord.
Le boîtier métallique est très important
Le boîtier est généralement en métal. Ce n’est pas arbitraire. Les batteries lithium-ion fonctionnent sous pression. Les boîtiers métalliques peuvent résister à cette pression. Il protège également les composants électroniques internes.
Le trou d’aération est critique. Il est sensible à la pression. Si la batterie surchauffe au point d’exploser, un excès de gaz est libéré par les évents. C’est une rue à sens unique. Une fois ventilé, le sceau est brisé. La batterie est compromise.
L’interrupteur PTC fonctionne avec l’évent. À mesure que la température augmente, la résistance augmente pour éviter une surchauffe. Cela restreint le flux de courant. Cela permet de gagner du temps jusqu’à ce que le système refroidisse ou que l’utilisateur débranche le chargeur.
Ces dispositifs de sécurité expliquent pourquoi les batteries modernes n’explosent pas à chaque fois qu’elles sont chargées. Mais cela signifie également que les batteries sont plus complexes que le simple stockage d’énergie. C’est l’ingrédient actif. J’y pense. C’est décidé. Dans certains cas, il peut vous être demandé d’attendre.
À l’intérieur de la cellule
Retirez le boîtier métallique pour révéler une longue spirale. Ce ne sont pas seulement des fils. Il est préparé en pressant étroitement trois fines tranches.
–Positif
–Pôle négatif
– séparateur
Faites-le tremper dans un solvant organique. L’éther est très courant ici. Le solvant fait le gros du travail en tant qu’électrolyte.
Les séparateurs sont des héros méconnus. Il s’agit d’une feuille de plastique microporeuse. Fin comme du papier de soie. Son travail est simple mais strict. Empêche les bornes positives et négatives de se toucher. Le contact provoque un court-circuit. Cependant, il laisse passer les ions. Ces pores sont suffisamment petits pour empêcher tout contact physique, mais suffisamment ouverts pour permettre au lithium de nager.
La composition chimique interne est spécifique. L’oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2) est utilisé comme électrode positive. Électrode négative ? Juste du carbone.
L’équilibre change pendant la charge. Les ions lithium sortent de LiCoO2. Ils traversent les électrolytes. Ils atterrissent sur le carbone.
La décharge inverse le flux. Les ions reviennent du carbone vers LiCoO2.
Il s’agit d’une simple boucle. Cependant, si vous faites une erreur, votre téléphone brûlera.
Les réactions chimiques à l’intérieur d’une batterie lithium-ion sont un jeu à haute tension. Chaque cellule individuelle produit 3,7 volts. Ce nombre est important car il est plus de deux fois supérieur à 1,5 volts d’une pile alcaline AA standard. Vous pouvez les acheter dans n’importe quelle épicerie. Une tension plus élevée signifie que moins de batteries doivent être connectées en série pour alimenter l’appareil. Moins de cellules signifie moins d’espace physique. Cette efficacité rend les smartphones très fins et légers. Ce n’est pas de la magie. Cela augmente simplement la densité énergétique.
Avantages de la tension dans la technologie portable
Si vous avez déjà comparé un vieux téléphone à clapet encombrant à une feuille de verre moderne, la différence réside dans leur composition chimique. Les piles alcalines sont grosses. Plusieurs unités sont nécessaires pour atteindre les tensions requises pour les circuits complexes. Les batteries lithium-ion peuvent remplir la même fonction avec une fraction de leur taille. Ce format compact est la principale raison pour laquelle nous proposons des appareils de poche. Mais il y a aussi des compromis. Une densité énergétique élevée signifie également qu’une énergie élevée est libérée en cas de problème. Nous arriverons bientôt à la partie explosion. Voyons d’abord comment le faire durer plus longtemps.
Prolonge la durée de vie de la batterie
Nous voulons prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion. Personne ne veut transporter une brique qui s’effondrera avant midi. L’objectif est de prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion sans compliquer inutilement les tâches quotidiennes. Ce produit chimique est sensible à la chaleur et aux conditions de charge extrêmes.
– Évitez les décharges complètes. ** Laisser votre téléphone mourir complètement peut épuiser les électrolytes.
– Ne restez pas éternellement à 100%. ** La tension maximale accélère la dégradation.
-** Gardez-le au frais. ** La chaleur est votre ennemie. Ne laissez pas l’appareil dans une voiture chaude.
La plupart des fabricants recommandent de maintenir la charge entre 20 % et 80 % pour une utilisation quotidienne. Cela ne veut pas dire que c’est parfait. Cela réduit la contrainte sur les composants internes. Aucune application spéciale n’est nécessaire pour le gérer. Retirez-le uniquement lorsque la batterie est presque pleine. Ne videz pas à zéro.
Pourquoi les batteries lithium-ion explosent-elles ?
Vous avez probablement entendu l’histoire. Le téléphone est en feu. Des ordinateurs portables qui prennent feu. Cela ressemble à de la science-fiction. Mais cela représente un risque important pour la chimie du lithium-ion. Pourquoi ça explose ?
La réponse réside dans les électrolytes. Inflammable. L’emballement thermique se produit lorsque les structures internes tombent en panne. La chaleur s’accumule. La chaleur produit plus de chaleur. Le séparateur entre l’anode et la cathode fond. Les deux côtés se touchent. Un court-circuit s’est produit. Les électrolytes inflammables peuvent s’enflammer.
Cela n’arrive pas souvent. Les appareils modernes disposent de circuits de sécurité qui coupent l’alimentation avant qu’ils ne deviennent trop chauds. Mais lorsque la sécurité est compromise, les conséquences sont violentes. La pression à l’intérieur du boîtier fermé augmente. Finalement, la coque se fissure. La ventilation se produit. Un incendie pourrait se produire.
Nous avons exploré comment la haute tension peut rendre ces batteries compactes et efficaces. Nous avons examiné comment prolonger leur durée de vie. Nous avons déjà évoqué les dangers de l’emballement thermique. La technologie est puissante. Il est également instable. Il existe un équilibre délicat entre performance et sécurité. Nous utilisons ces appareils quotidiennement. Vous leur faites confiance pour ne pas incendier votre maison. Dans la plupart des cas, cette confiance est justifiée. Mais l’alchimie sous-jacente est toujours forte.
Maximisez la durée de vie et la sécurité de la batterie
Les batteries lithium-ion sont chères. Si vous souhaitez que votre produit dure plus longtemps sous garantie, vous devez changer la façon dont vous le manipulez. La chimie n’aime pas les décharges profondes. Préfère un cycle de vidange partielle. Ne réduisez pas la tension à zéro. Provoque des dommages permanents aux cellules. Il n’a pas d’effet mémoire, donc une charge précoce n’endommagera pas la batterie. Éloignez-vous du fond absolu.
Le vieillissement est inévitable. Ces packs durent deux à trois ans. Ne collectionnez pas les piles en pensant qu’elles dureront cinq ans, même si vous ne les avez jamais branchées. Non. Lorsque vous achetez des pièces détachées, vérifiez la date de fabrication. Le laisser sur les étagères même pendant un an réduira sa durée de vie.
La chaleur est votre ennemie. Les températures élevées peuvent rapidement dégrader les performances des composants internes. Gardez votre appareil au frais.
Pourquoi les batteries lithium-ion explosent-elles ?
Nous savons comment ils durent. Voyons maintenant pourquoi ils échouent parfois de manière catastrophique.
Un incendie se déclare lorsque la température interne augmente et que l’électrolyte s’enflamme. Des vidéos virales montrant des ordinateurs portables en train de fumer le prouvent, prouvant la gravité du problème. Le reportage de la Société Radio-Canada (CBC) « L’été des explosions d’ordinateurs portables » décrit plusieurs de ces incidents.
Ces incendies sont généralement provoqués par des courts-circuits internes. À l’intérieur d’une batterie lithium-ion, un séparateur sépare les électrodes positives et négatives. Si ce séparateur perce, les électrodes se toucheront. En conséquence, il chauffe rapidement. Vous avez probablement déjà vu cela se produire lorsque vous avez une pile de 9 volts dans votre poche. Si vous court-circuitez les bornes avec une pièce de monnaie, etc., une quantité considérable de chaleur est générée.
Dans les batteries lithium-ion, ce court-circuit se produit en interne. La quantité d’énergie libérée est énorme. La chaleur évacue le solvant organique utilisé comme électrolyte. Une étincelle ou la chaleur ambiante peut provoquer un incendie. Si une batterie prend feu, la cascade thermique peut se propager à d’autres parties de la batterie. L’ensemble de l’unité monte.
Les incendies sont rares. Pourtant, quelques incidents et quelques reportages ont suffi à déclencher un rappel majeur.
FAQ sur la technologie lithium-ion
Combien de temps dure une batterie lithium-ion ?
Il peut prendre en charge des centaines de cycles de charge. En réalité, la durée de vie attendue est de 2 à 3 ans avant que la capacité ne se détériore significativement.
Qu’est-ce qu’une batterie lithium-ion exactement ?
Batterie rechargeable dans les ordinateurs portables et les téléphones portables. Lorsque les ions lithium passent de l’électrode négative à l’électrolyte jusqu’à l’électrode positive, de l’électricité est générée.
Combien coûtent les batteries lithium-ion ?
BloombergNEF rapporte que le coût moyen en 2020 était de 137 dollars le kilowattheure. Les batteries de smartphones coûtent entre 2 et 4 dollars. Les batteries de véhicules électriques coûtent entre 7 000 et 20 000 dollars. Les prix ont chuté d’environ 88 % au cours des 10 dernières années et continueront de baisser.
Quels sont les principaux inconvénients ?
Parfois, il peut prendre feu. Le taux d’échec est très faible, environ deux à trois paquets par million. Il est très sensible à la chaleur, ce qui accélère sa détérioration. Le vieillissement commence dès la sortie de l’usine. Le temps non utilisé n’arrête pas l’horloge.
Existe-t-il une meilleure technologie de batterie ?
Pas encore. Actuellement, aucune autre technologie de batterie ne peut rivaliser avec la technologie lithium-ion. Une densité énergétique plus élevée est obtenue. Prend en charge plusieurs cycles. Il charge plus vite. Et dans de nombreux cas, leur utilisation est plus sûre que les alternatives.
