Quels sont les types de batteries ? Apprenez les différences entre les types de cellules !

Les cellules de batterie sont désormais utilisées non seulement dans les ordinateurs portables ou les jouets. Avec l’augmentation de la densité d’énergie, elles peuvent alimenter des appareils plus grands : des outils, des trottinettes électriques et des vélos, jusqu’aux voitures électriques aussi grandes que des bus. C’est possible car dans toutes ces applications, nous pouvons utiliser le même type de cellules (Li-ion). Néanmoins, des travaux sont encore en cours sur de nouvelles solutions. C’est pourquoi il est utile de connaître les différences entre les types de batteries les plus populaires.

Premières cellules de batterie – NiCd et NiMH

L’histoire des cellules de batterie a commencé en 1899 en Suède lorsque Waldemar Jungner a construit la première cellule nickel-cadmium (NiCd). Les coûts élevés des matériaux utilisés dans sa production ont limité considérablement l’utilisation de ces types de batteries. Un inconvénient supplémentaire était la haute toxicité du cadmium. Cependant, il a fallu presque 100 ans principalement pour cette raison que la vente des batteries NiCd en Europe était légalement restreinte uniquement pour des applications industrielles spéciales.

Dans les années 1990, la technologie des cellules nickel-métal hydrure (NiMH) a émergé. En termes de construction, elles diffèrent des NiCd uniquement par le matériau de la cathode, ce qui les rend nettement plus “écologiques”. Elles offrent une capacité 30 à 40 % plus élevée et ont une plus grande résistance à l’effet de “mémoire” que les cellules NiCd. De plus, la présence de nickel augmente l’attractivité de leur recyclage. Parmi les principaux inconvénients des cellules NiMH, on compte leur durée de vie nettement limitée, le besoin d’algorithmes de charge complexes et une forte chute de performance à basse température.

Types modernes de cellules de batterie. En quoi diffèrent-ils ?

Le développement des cellules de batterie a duré des décennies, mais il s’est accéléré significativement seulement dans les années 1990. C’est dans cette décennie que les coûts de production des batteries modernes sont devenus plus bas, ce qui a conduit à une utilisation accrue, stimulant à son tour le développement de nouvelles technologies de production.

Cellules lithium-ion. Qu’est-ce qui vaut la peine d’être connu à leur sujet ?

La découverte de la batterie à oxyde de lithium-cobalt remonte aux années 1970. John B. Goodenough l’a construite alors, en utilisant une cathode d’oxyde de lithium et de cobalt. En 1991, Sony a introduit les premières batteries lithium-ion commerciales basées sur la technologie LiCoO2 sur le marché.

Batteries 18650 populaires

Peu de temps après, des cellules telles que les 18650 ont été développées, nommées d’après leurs dimensions (18 mm de diamètre, 65,0 mm de longueur). Les cellules Li-ion peuvent également avoir d’autres formes et tailles. Leur production a commencé à devenir moins chère à partir de 2001, ce qui a assuré leur énorme popularité.

Applications des cellules Li-ion

En revanche, les cellules Li-ion sont sensibles à l’auto-inflammation et aux explosions dans certaines conditions. D’où la nécessité de systèmes de gestion de batterie spéciaux qui garantissent la stabilité des processus de charge et de décharge et protègent la batterie contre la surchauffe. En pratique, le processus de production et l’utilisation correcte ont le plus grand impact sur la stabilité des cellules Li-ion. Par conséquent, il est recommandé d’utiliser des batteries uniquement auprès de fabricants réputés avec des dispositifs de charge dédiés.

Les cellules lithium-ion sont couramment utilisées dans :

• Les appareils électroniques grand public (téléphones, ordinateurs portables, appareils photo numériques, batteries externes, lampes de poche, etc.),
• Les grands systèmes de stockage d’énergie pour l’industrie,
• Certains véhicules électriques.

Cellules lithium-polymère. Pourquoi sont-elles si populaires ?

Les cellules lithium-polymère sont en fait des batteries lithium-ion dans lesquelles l’électrolyte liquide a été remplacé par un polymère solide ou gélatineux (mais ne les confondez pas avec les batteries à gel, où l’électrolyte en gel est un mélange d’acide sulfurique avec de la silice).

Dans les conceptions initiales des cellules lithium-polymère, l’électrolyte prenait la forme d’un film plastique, dont la conductivité électrique à température ambiante était faible. Chauffer la cellule à une température entre 50°C et 60°C augmentait sa conductivité, ce qui était principalement gênant dans de nombreuses applications. D’où la création de cellules polymères avec un électrolyte gélifié, qui présentent des performances acceptables à température ambiante.

Contrairement aux cellules lithium-ion, les batteries Li-Po n’ont pas besoin de boîtiers rigides, ce qui réduit leur poids de plus de 20 % et permet des formes de batterie adaptées aux appareils. Une cellule lithium-polymère peut être aussi fine qu’une carte de crédit. Pour ces raisons, elles sont utilisées dans les ordinateurs portables, les smartphones et d’autres appareils portables. De plus, les cellules Li-Po se trouvent également dans des dispositifs médicaux mobiles et des véhicules télécommandés (par exemple, des drones).

Batteries LFP, LiFePO4 – qu’est-ce que c’est ?

Un type de cellule lithium-polymère avec un électrolyte gélifié est la batterie LFP, également connue sous le nom de LiFePO4 car son électrode positive est constituée de fer et de phosphore.

Actuellement, ce sont les batteries les plus sûres sur le marché, plus résistantes aux dommages mécaniques (en particulier les perforations). Elles présentent également une grande résistance aux conditions de fonctionnement inappropriées, ce qui les rend adaptées à l’industrie lourde et à d’autres applications exigeantes (y compris les décharges profondes). Comparées aux cellules NCA/NCM, elles sont moins chères mais ont une densité énergétique plus faible. Elles souffrent d’une performance réduite à basses températures. Correctement utilisées, elles atteignent une durée de vie de 3500 à 5000 cycles, correspondant à une période d’utilisation de 8 à même 10 ans.

Les batteries LFP sont le plus souvent utilisées dans :

• Les voitures électriques – surtout dans les modèles moins chers, comme Tesla en version Standard Range,
• Les télécommunications, l’énergie, l’industrie et la médecine,
• L’alimentation de secours et les systèmes d’alarme,
• L’éclairage d’évacuation,
• Les installations photovoltaïques,
• L’alimentation embarquée dans les bateaux, les camping-cars, les remorques,
• De plus en plus dans les véhicules d’entrepôt (chariots élévateurs).

Cellules NCA – les informations les plus importantes

Panasonic produit des cellules NCA. Cette construction utilise des cathodes composées d’un mélange de nickel, de cobalt et d’aluminium. Cela permet aux cellules NCA de fonctionner aux taux de charge les plus élevés et d’avoir une densité énergétique élevée (200-260 Wh/kg) mais la durée de vie la plus courte. De plus, leur durée de vie diminue non seulement en raison de l’utilisation, mais aussi en raison du “vieillissement” de la cellule.

À côté des NMC, les cellules NCA sont principalement utilisées pour alimenter les voitures électriques. Elles sont également utilisées dans les systèmes de stockage d’énergie, mais de manière sporadique dans l’électronique grand public.

Cellules NMC – connaissez-vous ces faits ?

1. La production de cellules NMC a commencé en 2009.
2. Leur électrode positive est constituée d’un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt.
3. Les proportions de ces composants déterminent les prix de ces cellules et leurs propriétés telles que la densité énergétique (150-200 Wh/kg) ou la puissance spécifique.
4. Comparées aux batteries LFP, elles ont une durée de vie plus courte (de 800 à 2000 cycles), et bien qu’elles présentent une stabilité dans les composants chimiques utilisés, elles sont moins sûres que les cellules LiFePO4.
5. À l’instar de LiFePO4, les cellules NMC contiennent des électrolytes de type gel mais fonctionnent mieux à basse température.
6. Elles figurent parmi les cellules les plus couramment utilisées dans l’électromobilité en raison du compromis entre la densité énergétique et la sécurité.

Les cellules NMC sont principalement utilisées pour alimenter :

• Les outils électriques,
• Les téléphones, les ordinateurs portables,
• Les chariots élévateurs et les transpalettes (en particulier les modèles les plus compacts),
• Les voitures électriques avec les plus grandes batteries (par exemple, Tesla, les modèles Long Range et Performance).

Batteries semi-conductrices sûres

Pour la sécurité d’utilisation, les batteries semi-conductrices, c’est-à-dire les batteries à l’état solide, semblent les plus attrayantes. Principalement parce qu’elles éliminent l’électrolyte liquide contenant des hydrocarbures, ce qui en fait un excellent carburant. C’est pourquoi les batteries Li-ion surchauffées brûlent si efficacement. Les batteries à l’état solide ont également une densité énergétique plus élevée et peuvent fonctionner dans une plage de température plus large.