Charge d'une batterie Lithium

En préambule, nous vous conseillons la lecture du texte consacré à la charge des batteries charge d'une batterie. Nous y présentons des généralités valables pour toutes les batteries.

Batterie Lithium : Les caractéristiques influençant la charge

La charge des batteries Lithium, est différente des autres types de batteries telles que les batteries au plomb-acide. Les batteries Lithium fonctionnent en faisant circuler des ions entre l'anode et la cathode lors du chargement et du déchargement.

Le phénomène d'intercalation des ions Lithium

Le principe des batteries Lithium est basé sur l'intercalation des ions lithium successivement dans les électrodes positives (cathodes) et négatives (anodes).

Lorsque la batterie se charge, un courant électrique est appliqué, provoquant le déplacement des ions lithium de l'anode vers la cathode à travers l'électrolyte. Du côté de la cathode, les ions lithium sont capturés et intercalés dans la structure de la cathode. Ce processus d'intercalation des ions lithium est réversible, ce qui signifie qu'il se produit également lors de la décharge de la batterie.

Dans les batteries lithium, il n’y a donc pas de réactions chimiques comme dans les batteries Plomb.

Cela implique plusieurs conséquences :

  • Résistance interne très faible qui implique un courant de charge élevé et donc une charge rapide.
  • Différence de potentiel très faible entre charge et décharge qui implique un très bon rendement énergétique.
Fonctionnement batterie lithium

Lors de la charge, les ions lithium quittent l'électrode positive et vont s'intercaler dans l'électrode négative en carbone. 
À l'inverse, lors de la décharge, les ions lithium partent de l'électrode négative afin de se loger dans les sites vacants de l'électrode positive (Cathode).

Présence de la SEI (Solid Electrolyte Interphase )

La SEI est une couche qui se forme à la surface de l’anode. Cette couche est cruciale pour le bon fonctionnement de la batterie car elle permet d’éviter l’oxydation de l’électrode. Cependant il ne faut pas que celle-ci soit trop épaisse, au risque d’une perte de capacité irréversible et d'une augmentation simultanée de la résistance interne de la batterie.

La croissance de SEI est accélérée sous haute tension et sous haute température.

Conséquences sur la charge :

  • Il faut éviter toute surcharge de la batterie
  • Éviter si possible une charge sous haute température
  • Une batterie lithium pouvant être laissée en sous-charge sans dommage, il est conseillé de ne pas charger ces batteries à 100% à chaque cycle.

Basse Température

Quand la température diminue, la vitesse de diffusion des ions lithium dans l'anode (l'électrode négative) diminue et la résistance interne de la batterie augmente simultanément. Ceci limite la vitesse de charge quand la température baisse. Les batteries LiFePo4 qui ne disposent pas de chauffage intégrée (TN110 par exemple) ne doivent pas être chargées si la température est inférieure à 0°C.

Effet température de charge

Effet de la température sur la charge d'une batterie Lithium Pylontech US5000

État de charge vs Tension

L’état de charge des cellules varie fortement pour une différence de tension très faible. Ceci est particulièrement vrai pour les batteries LiFePo4. Ceci implique une régulation de tension très précise pour les chargeurs afin d'éviter toute surcharge de la batterie. Bien plus que pour une batterie Plomb.

SOC vs Tension
Charge d'une batterie Lithiumen fonction de la tension

Équilibrage des cellules

Il est conseillé de charger une batterie Lithium 12V à 80% la plupart du temps et de charger celle-ci à 100% de temps en temps. En effet, le fait de charger sa batterie qu'à 80% permet de préserver la batterie et d'allonger sa durée de vie.

La charge complète permettra d'équilibrer les différentes cellules qui composent la batterie.

Cet équilibrage en tension est réalisé au moyen d'un BMS (Battery Management System), interne ou externe à la batterie. Le BMS est une carte électronique qui permet de gérer la charge et la décharge d'une batterie Lithium (photo).

  • En 2021 Tesla préconisait de recharger son Model 3 à 100% une fois par semaine.
  • En 2023 Tesla informe ses clients de ne charger son Model X à 100% que pour les voyages, les longs trajets.
  • Pylontech conseille de recharger ses batteries à 100% une fois tous les 28 jours.

BMS : un outils indispensable pour la charge des batteries lithium

Le Battery Management System (BMS) est un élément essentiel dans une batterie au lithium. Son rôle principal est de surveiller, contrôler et protéger la batterie, garantissant ainsi une utilisation sûre et efficace. Dans le cas d’un usage intensif, le BMS est indispensable au bon fonctionnement de la batterie ainsi qu’à la sécurité lors ses usages.

Ci-contre le BMS dans une batterie Smart Lithium Victron

BMS

Le BMS joue plusieurs rôles dans une batterie Lithium :

  • Surveillance des paramètres de la batterie : Le BMS surveille en temps réel différents paramètres de la batterie, tels que la tension, le courant, la température et la capacité. Cela permet de connaître l'état de la batterie et d'identifier tout problème potentiel.
  • Équilibrage de la charge : Dans le cas d'une batterie composée de plusieurs cellules, le BMS assure un équilibrage de la charge entre les cellules. Certaines cellules peuvent se décharger plus rapidement que d'autres, ce qui peut conduire à des déséquilibres dangereux. Le BMS s'assure que chaque cellule est chargée de manière équilibrée pour maximiser la durée de vie de la batterie.
  • Protection contre les surcharges : Le BMS empêche la batterie de se surcharger, ce qui peut endommager les cellules et augmenter le risque d'incendie ou d'explosion. Il déconnecte la charge lorsque la tension atteint un seuil de sécurité prédéfini.
  • Protection contre les décharges trop profondes : Le BMS évite également que la batterie se décharge trop, car cela peut entraîner une baisse des performances et une réduction de la durée de vie de la batterie.
  • Protection thermique : Le BMS surveille la température de la batterie et intervient si elle atteint des niveaux critiques. Une température élevée peut être dangereuse pour la sécurité et la performance de la batterie.
  • Prédiction de l'autonomie restante : Grâce à la surveillance de la capacité et de l'état de charge de la batterie, le BMS peut estimer avec précision l'autonomie restante du système.
  • Sécurité globale : En garantissant le bon fonctionnement de la batterie, le BMS réduit considérablement le risque d'incendie, d'explosion ou de défaillance catastrophique, ce qui contribue à une utilisation plus sûre des batteries au lithium.
  • Optimisation des performances : En contrôlant les paramètres de la batterie, le BMS permet d'optimiser les performances globales, en veillant à ce que la batterie fonctionne à son meilleur niveau possible.

En résumé, le BMS est crucial pour la sécurité, la fiabilité et l'efficacité d'une batterie au lithium. Il assure une gestion intelligente de la batterie, permettant d'exploiter pleinement ses avantages tout en minimisant les risques associés à son utilisation et à sa charge.

Des étapes de charge différentes

Graphique charge Lithium

La charge d'une batterie Li-ion se déroule généralement en plusieurs étapes pour optimiser la durée de vie et la performance de la batterie. Les principales étapes de charge sont les suivantes :

  • Étape Bulk : Courant constant (CC) : Au début de la charge, la batterie est alimentée avec un courant constant jusqu'à ce qu'elle atteigne une certaine tension. Pendant cette étape, la tension augmente progressivement à mesure que la batterie absorbe les ions pour stocker de l'énergie.
  • Étape Absorption : Tension constante (CV) : Une fois que la tension de charge atteint la valeur spécifiée (par exemple, 4,20 V pour une batterie au cobalt), la charge passe à la phase de tension constante. Pendant cette étape, la tension est maintenue constante, mais le courant de charge diminue progressivement à mesure que la batterie se remplit complètement.
  • Étape Floating : Trickle charge (charge de remplissage) : Après la charge complète, certains chargeurs appliquent une petite quantité de courant supplémentaire pour compenser l'autodécharge de la batterie et maintenir le niveau de charge optimal.

La recharge rapide : pratique mais peu durable

La recharge rapide d'une batterie lithium-ion (Li-ion) est une méthode de charge qui permet de recharger une batterie à un rythme beaucoup plus rapide que la charge conventionnelle. Alors que la charge standard peut prendre plusieurs heures, la recharge rapide peut permettre de recharger une batterie en quelques minutes seulement. Cela est particulièrement utile dans de nombreux domaines, tels que les smartphones, les véhicules électriques et les dispositifs portables, car cela offre aux utilisateurs une plus grande commodité et une meilleure disponibilité.

Voici quelques points clés à savoir sur la recharge rapide des batteries lithium-ion :

  • Technologie de charge rapide : La recharge rapide est rendue possible par des avancées technologiques dans la conception des batteries et des circuits de charge. Les fabricants utilisent des matériaux de cathode spéciaux, des électrolytes améliorés et des techniques de gestion thermique pour permettre une recharge rapide sans compromettre la sécurité de la batterie.
  • Tension et courant plus élevés : La recharge rapide implique généralement d'utiliser des tensions et des courants de charge plus élevés que ceux utilisés dans les méthodes de charge standard. Cela permet d'augmenter le flux d'énergie dans la batterie et de réduire le temps de charge.

Conséquences sur la batterie : La recharge rapide peut avoir des conséquences sur la durée de vie et la performance de la batterie :

  • Augmentation de la chaleur : Une charge rapide peut générer plus de chaleur dans la batterie en raison du flux d'énergie plus important. Des niveaux de chaleur élevés peuvent affecter la stabilité de la batterie et, dans certains cas, entraîner des problèmes de sécurité.
  • Usure accrue : La recharge rapide peut entraîner une usure plus rapide des matériaux internes de la batterie. Cela peut conduire à une diminution de la capacité de la batterie au fil du temps, ce qui signifie qu'elle se déchargera plus rapidement.
  • Risques de sécurité : Une recharge rapide mal gérée peut provoquer des défaillances de la batterie, telles qu'un gonflement ou une surchauffe, qui peuvent être dangereuses.
  • Impact sur le cycle de vie : La recharge rapide régulière peut réduire le nombre total de cycles de charge/décharge qu'une batterie peut subir avant de perdre considérablement de sa capacité. Cependant, la rapidité avec laquelle cela affecte la batterie dépend de la qualité de la batterie, du système de gestion thermique et de la façon dont elle est utilisée.

Il existe en revanche plusieurs système électroniques permettant de diminuer la détérioration de la batterie et les risques engendrés par cette charge rapide :

  • Systèmes de gestion thermique : Pour minimiser les risques associés à la recharge rapide, les batteries Li-ion modernes sont équipées de systèmes de gestion thermique sophistiqués. Ces systèmes surveillent la température de la batterie pendant la charge et ajustent les paramètres de charge pour éviter des niveaux de chaleur dangereux.
  • Recommandations d'utilisation : Les fabricants de batteries Li-ion recommandent généralement de ne pas utiliser la recharge rapide de manière systématique. Pour prolonger la durée de vie de la batterie, il est conseillé d'utiliser principalement la charge standard et de n'utiliser la recharge rapide que lorsque cela est nécessaire.

En résumé, la recharge rapide des batteries lithium-ion offre une commodité précieuse, mais elle peut également avoir des conséquences sur la durée de vie et la performance de la batterie. Une gestion thermique efficace et une utilisation prudente peuvent aider à minimiser les risques et à prolonger la durée de vie de la batterie.

Conseil

  • Éteignez l'appareil ou déconnectez la charge en charge pour permettre au courant de chuter sans entrave pendant la saturation. Une charge parasite perturbe le chargeur.
  • Chargez à température modérée. Ne pas charger à température de congélation.
  • Le lithium-ion n'a pas besoin d'être complètement chargé ; une charge partielle est préférable.
  • Tous les chargeurs n'appliquent pas une charge complète et la batterie peut ne pas être complètement chargée lorsque le signal "prêt" apparaît ; une charge de 100 % sur une jauge peut être un mensonge.
  • Arrêtez d'utiliser le chargeur et/ou la batterie si la batterie devient excessivement chaude.
  • Chargez une batterie vide avant de la ranger (40 à 50 % de SoC est idéal).