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La batterie Lithium Fer Phosphate (LiFePO4)
Les batteries Lithium Fer Phosphate sont les batteries Lithium que l'on trouve le plus fréquemment en remplacement des batteries Plomb, dans des applications telles que les camping car, l'énergie solaire ou les fauteuils électriques..
Principes de fonctionnement d'une batterie Lithium fer Phosphate
L''électrode positive (cathode) est constituée de phosphate de fer lithié dont la structure cristalline permet l'insertion et la désinsertion du lithium.
Pendant la charge, le lithium migre de l'électrode positive vers l'électrode négative en graphite. Le phénomène inverse se produit lors de la décharge.
La composition en lithium du phosphate de fer lithié diminue ainsi pendant la charge et entraine la formation de FePO4 qui possède la même structure cristalline que LiFePO4. Cette similarité explique - en partie - la très bonne résistance en cyclage de ce type de batterie car les contraintes mécaniques générées au sein de l'électrode positive restent faibles.
Réactions électrochimiques au sein d'une batterie LiFePO4
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Ci contre un schéma du fonctionnement d'une batterie LiFePO4.
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Lors d'une charge ou décharge, chaque cristal reste constitué d'une phase riche en Lithium LiFePO4 et d'une phase pauvre en Lithium, FePO4. Insertion et désinsertion du lithium ainsi que la conduction électronique, se produisent à l'interface des deux phases sous l'effet de contraintes mécaniques. La zone interfaciale se propage par un mécanisme de "domino - cascade".
C'est ainsi que la cathode peut conduire du courant alors que LiFePO4 et FePO4 sont isolants !
Afin d'augmenter la conductivité électronique de la cathode, les cristaux doivent être très petits (quelques dizaines de nanomètres) et doivent être recouvert d'un film conducteur avec une épaisseur uniforme.
Ainsi, si la composition de l'électrode positive ne comporte pas de métaux rares et couteux, sa fabrication est complexe.
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Intérêt de la batterie LiFePO4 par rapport aux autres batteries Lithium-ion :
Tout d'abord, il faut savoir que les batteries Lithium-ion se décompose en plusieurs familles, la technologie LiFePO4 en est une
1. Avantages :
- Sécurité :
Cette technologie a pour avantage de ne pas perdre de manganèse ni d'oxygène, ce qui rend l'électrode positive plus stable chimiquement. C'est ce qui en fait un type de batterie sûr, très sécurisé, car il y a peu de risque d’inflammation ou d'explosion grâce à cette structure.
- Durée de vie :
Elle est réputée pour avoir une grande durée de vie (notamment grâce à la stabilité de l'électrode positive), le nombre de cycles possible est donc très élevé.
Cette longévité est due à une protection électronique contre la surcharge et la décharge profonde, ce qui permet de limiter les dégâts sur la batterie lors des cycles de charge. Cette batterie peut ainsi économiser jusqu'à 30% d'énergie par rapport aux autres.
- Prix :
Cette technologie offre un bon rapport qualité prix, car même si son prix est plus élevé, il est justifié par des performances qui le sont également.
Par exemple, comparé au prix moyen des batteries Lithium Cobalt (qui font également partie de la familles des batteries Lithium-ion), on remarque que, pour des capacités et résultats bien inférieur, le prix de ce dernier ne se retrouve pas proportionnellement diminué par rapport à celui de LiFePO4.
Ce qui signifie que, pour une utilisation équivalente, du côté économique, l'achat d'une batterie LiFePO4 est donc privilégié.
- Chargement :
De plus vous avez la possibilité de remplacer vos batteries plombs par des batteries LiFePO4 sans modifications majeures.
En effet, les cellules des batteries lithium fer phosphate possèdent une tension de 3,2V, et celle des batteries plomb une tension de 2,1V. Or la mise en série de 4 éléments de LiFePo est équivalent au niveau de voltage lors de la mise en série de 6 éléments de plomb :
4 x 3,2 V = 12,8 V
6 x 2,1 V = 12,6 V
C'est ce qui fait que l'on peut utiliser le même chargeur sur ces deux types de batterie. D'autant plus que cette technologie a pour avantage de se recharger très vite, sans surchauffe ni gazéification.
2. Inconvénient :
Cette technologie possède une faible densité massique, ce qui l'exclut des véhicules électriques. C'est à dire qu'à puissance égale, une batterie LiFePO4 est donc, par exemple, légèrement plus lourde et plus volumineuse qu'une batterie Lithium Nickel Manganèse Cobalt (NMC) qui fait également partie de la famille des batteries Lithium-ion. Malgré tout, sa densité est tout de même 3 fois supérieure à celle d'une batterie plomb.
Présentation de la batterie LiFePO4
Tension d'une cellule
Les accumulateurs au lithium sont constitués d'une mise en série-parallèle de cellules de lithium. C'est cette mise en série-parallèle qui permet d'augmenter le nombre de cellules que peut accueillir une batterie.
Les cellules de lithium fer phosphate ont une tension nominal de 3,2 V. Cette tension est inférieur a celle des batteries Lithium Cobalt Nickel Aluminium (3,6 V - 3,8 V), mais largement supérieur a celle des batteries plomb (2,1 V).
Caractéristiques
Rendement faradique
Le rendement faradique (ou rendement coulombien) représente le rendement d'énergie utilisé lors d'une décharge complète suite à une charge complète (donc sur un cycle décharge/charge).
Quantité d'électrons restitué par l'accumulateur
= rendement faradique* *afin d'obtenir un pourcentage on multiplie le résultat par 100
Quantité d'électrons injecté dans l'accumulateur
Dans une batterie Lithium, ce rendement est égal, ou proche, de 100% lorsque les éléments de la batterie sont en bon état. Cela s'explique par le fait qu'il n'y ait pas de réaction chimique interne (sauf dégradation) dans ce type de batterie, au contraire des batteries qui sont composées d'un système aqueux, dans lesquelles se forme un gaz lors de l'électrolyse de l'eau.
De plus, les batteries lithiums proposent une faible résistance électrique, ce qui permet à la batterie de minimiser les pertes d'énergies et donc d'améliorer ses performances.
Rendement énergétique
Le rendement énergétique, c'est le rapport entre l'efficacité de la machine, c'est à dire le travail qu'elle effectue, par rapport au travail maximal que peut, théoriquement, fournir la machine.
Ce qui nous donne la formule suivante
Quantité d'électricité restituée par l'accumulateur
= rendement énergétique
Quantité d'électricité injectée dans l'accumulateur
Ce rendement énergétique d'un cycle charge/décharge dépend des électrodes de la batterie et des conditions d'utilisations (température, intensité du courant, l'état de charge..).
Si on possède une batterie qui utilise le phénomène d’intercalation (d'insertion), ce rendement est très élevé (environ 95% pour les batteries LiFePO4 par exemple) car le rendement faradique est quasiment égal à 100% et parce que la tension de la batterie est très similaire en charge et en décharge.