REPÈRES es batteries lithium-ion pour équipements électroniques

REPÈRES
es
Mots-clés :
batteries
lithium-ion
équipements
électroniques
pour
portables
Générateurs
électrochimiques,
Lithium-ion,
Appareils
portables.
par Richard DOISNEAU, SAFT
La technologie
lithium-ion
première
place dans le
batteries
portables
de sa supériorité
rendement
température,
a pris la
domaine
en raison
en densité
de charge,
des
notamment
d'énergie,
tenue en
conservation
de charge.
La technologiede batterieslithium-ionoccupela
premièreplacepour les applications portables.
Les avantages de cette technologie sont
importants: importantes
densitésd'énergie,rendementde chargevoisinde 1, tensionnominalede
3,6 V qui permet de faire fonctionnerde nombreux circuitssur un élémentunique,fonctionnement jusqu'à 60°C, bonne conservationde la
charge,comportement
en cydage remarquable.
INTRODUCTION
Dans l'univers des générateursélectrochimiques, plutôt
habitué à connaître des évolutions, certes parfois rapides,
l'irruption de la technologie lithium-ion tient de la révolution. Sansdétrôner le plomb acide ni le couple manganèsezinc des piles, elle a pris la premièreplace pour les applications portables. Nous nous proposonsd'exposer les avan-
Cependant,leurtempsde chargeestplus longque
celui des éléments alcalins.Par ailleurs, il faut
ajouter des dispositifsde protectionpour ne pas
risquer des accidents en cas de surcharge(les
matières actives deviennent instables), ce qui
entraîneun surcoût.
tages qui expliquent sa percéeet les inconvénientsqui limitent l'ampleur de sa suprématie.
LE LITHIUM-ION
DANS
LE MARCHÉ
DES BATTERIES PORTABLES
En 1998, 300 millions d'éléments lithium-ion ont été
commercialisés dans le monde, pour une valeur proche de
2000 millions de dollars. La technologie lithium-ion occupe maintenant une place importante dans l'industrie des
générateurs électrochimiques (25 milliards de dollars en
1998) et est devenue la première pour les batteries portables ainsi que le montrent les estimations du tableau 1
relatives à l'année 1998. Pour mieux apprécier l'importance en volume de la technologie lithium-ion, il faut avoir
présent à l'esprit que sa tension nominale est 3,6 V et
qu'un élément lithium-ion " remplace" 3 " alcalins" (NiMH
et NiCd).
Lithium-ionbatteriescurrentlyoffer the bestcharacteristics
for portableequipment.
Lithium-ion technologyoffers a numberof major
advantages; high energy density, charging efficiencyclose to unity, operationat up to 60 ooC,
good charge retention,excellentcycling properties, and a nominal cell voltage of 3.6 volts,
enabling many applications to operate with a
singlecell.
However, the charging time is longer than the
equivalentalkalinetypesand additionalprotection
is requiredin casethe celloverheats.Thisis due to
the useof inflammable solvents
in thecellconstructionand resultsin increasedcosts.
Avec la croissanceprévue des applications, la consommation d'éléments lithium-ion devrait dépasser 400 millions en 1999.
portables. Elles devraient progressivementtrouver de nouveaux emplois dans les terminaux portables, le secoursde
mémoire et pratiquement tous les appareils électroniques
Introduites en 1991 par Sony dans ses camescopes,les
batteries lithium-ion occupent maintenant une place pré-
portables, avec pour exceptions notables les applications
dites " de puissance" telles que les outillages. Nous expli-
pondérante dans la téléphonie mobile et les ordinateurs
quonsplus loin les raisons de cette exclusion.
REE
N'8
Septebre 1999
Les batteries
lithium-ion
pour
équipements
électroniques
portables
Tableaii 1 - - Répartition en 1998 des batteries portables entre les technologies Li-ioti, NIMH et NiCd.
Nombre d'éléments
Chiffre d'affaire
Part (%) du marché
(en millions)
(en millions de dollars)
portable
Lithium-ion
300
2000 43 %
Nickel-métal hydrure
800
1800 39%
Nickel-Cadmium
1200
800 17 %
Rechargeable portable
2300
4600 100 %
Les éléments lithium-ion sont de type cylindrique, prismatique ou bouton. Les cylindriques, avec l'ICR 18650 (diamètre 18 mm, longueur 65 mm) ont été commercialisés en
Dans les conditions normales, on charge 140 mAh/g : x
vaut donc environ 0,5 à l'état chargé. Rien ne s'oppose à la
premier. Actuellement, la production de prismatiques est en
passe de rattraper celle de cylindriques. La vente de boutons
reste marginale. Saft a lancé en 1997 une gamme d'éléments
poursuite de la charge mais l'oxyde devient alors de moins
en moins stable. De plus, le potentiel s'élevant au-dessus
de 4,1 V, le solvant de l'électrolyte commence à réagir
avec la cathode, en particulier à température élevée. La
lithium-ion prismatiques moyens qui se distinguent par leur
section oblongue et surtout par leur plus forte capacité. En
carbone finement divisé pour améliorer sa conduction élec-
effet, si la plupart des éléments lithium portables ont une
capacité comprise entre 0,4 et 1,6 Ah, la gamme MP
(Medium Prismatic) s'étend de 2 à 5 Ah. Elle est destinée
aux applications qui demandent davantage d'énergie. Les
éléments MP évitent la mise en parallèle d'éléments de plus
petite taille et offrent, comme le montre le croquis de la
figure 1, une compacité plus grande qu'un assemblage
d'éléments cylindriques de capacité équivalente.
DESCRIPTION
D'UN
ÉLÉMENT
Avant de passer en revue les performances des éléments
lithium-ion, nous en rappelons la constitution ainsi que
leur principe de fonctionnement en prenant l'exemple des
éléments de la gamme MP, dont un schéma éclaté est présenté en figure 2.
Cathode
La matière active est l'oxyde de cobalt lithiné (LiCO02) A l'état chargé, il est transformé en LixCo02 selon la réaction de charge (1).
+ x Li+ + x e
Section du MP
",: ". ;. ; `'
:::: :: ;::;::><
:::::;. :::.>
;4:<::
:::: : ;; :<y=
;?::;_;:.,.,: :-:' xA wi: ::û:·^:::;:;:::îi$
:::ï_.:jj :": ` :::...
:'%
;::':::.k·.
·s:,
"i :;",_..'
;`tü:.·'.
?'i::\;;.ï;·;;;-:n; ·:;::;;"..,
;·, " "." W.,
'.:.;:! :·i:ï ;·1',
::j;;-;;:'' ::;.i;·::-;t:'vt :G
:.;::.:.,
cohésion ainsi que son adhérence au collecteur. Au total,
l'électrode
positive possède une capacité d'environ
600 mAh/dm' (2 faces), pour une épaisseur de 200
m.
Anode
Ce qu'il est convenu d'appeler la matière active, bien
trouve intégré dans le graphite sous forme d'un composé
d'insertion (LiC6) selon la réaction globale (2).
+ 6C + e-
LiCfi
(2)
La capacité spécifique théorique du graphite est de
372 mAh/g. En pratique, les graphites utilisés acceptent
une première charge comprise entre 300 et 370 mAh/g, un
Constitution des éléments MP
? Li,t,CoO')
tronique. Elle est déposée sur un collecteur de courant en
aluminium de 20 JAmd'épaisseur. Un liant fluoré assure sa
qu'elle ne change pas de degré d'oxydation, est constitué
d'un mélange de graphites. Au cours de la charge, le
lithium produit par la réduction des ions de l'électrolyte se
LITHIUM-ION
LiCoO
matière active reçoit un apport de quelques pourcents de
(1)
peu inférieure à la proportion stoechiométrique du composé
d'insertion, pour ne restituer que 280 à 340. La différence
entre la première charge et la décharge suivante est dénommée capacité irréversible ; elle correspond à la formation
d'une interface solide qui protège le composé d'insertion
de l'action oxydante de l'électrolyte. Les capacités char-
Assemblage équivalent
,
., z.;.R
..;,"
°,x,'· :.
,..,.
de cylindriques
_
x
tt <
. ·'2
,_.
1. Eiicoiiibreineiits
_
:."
coiiiparés dit MP et de
cylindrigues éguivnlents en
capacité.
REE
NI 8 e,,
Septembre
1999 . 1 65
NOUVEAUX
TYPES
DE STOCKAGE
D'ÉNERGIE
Electrolyte
Oiifice de
d remplissage
Electrode
positive
Pôlepositif
w
L-.'
:
--'
"
--..'- ".. Orifice d
L'électrolyte est une solution de LiPF6
dans un mélange de carbonates d'alkyles
{ (R-0),-C=O,
R = CtL ou C2H51. Le
soluté réagit avec l'eau pour donner prin-
Coupe-c'scuit cipalement de l'acide fluorhydrique ; il
faut donc conserver l'électrolyte à l'abri
Connexion de l'humidité. Les matières actives et le
Electrode
négative
Séparateurs
Event
séparateur doivent être dans un état de
siccité extrême. L'assemblage des éléments, jusqu'à leur fermeture après rem-
///
! >'j'I " ",
//1
Godet
Pôlenégatif
;''-',',:'
:/ i " " , -- ÀJ " 1 " (
plissage, est effectué en salle sèche à
point de rosée inférieur à -40'C.
Boîtier
i Le boîtier, de section oblongue, est en
acier inoxydable d'épaisseur 0,4 mm. Il
est fermé par un couvercle fixé par soudure laser. Le rôle principal du boîtier est
de protéger le coeur de l'élément des
2. Schéiiia éclaté d'un élément MP.
gées et restituées tendent rapidement à s'égaliser au cours
des premiers cycles suivants. Du fait de la constitution de
positive ne participe plus aux échanges électrochimiques,
ce qui réduit d'autant l'efficacité en élément de l'oxyde de
agressions mécaniques et chimiques. En fonctionnement
normal, la pression interne ne varie pas ou peu et seules les
réactions parasites mettent en oeuvre des espèces gazeuses
contrairement aux technologies nickel-cadmium et nickelmétal hydrure. L'ensemble du boîtier constitue le pôle
cobalt : son rendement apparent s'établit à 130 Ah/kg.
négatif.
l'interface,
une partie du lithium
produit par l'électrode
Le choix des graphites est guidé par bien d'autres considérations que la seule capacité spécifique. On s'intéresse
d'abord à leur chargeabilité, c'est-à-dire leur aptitude à
accepter des courants de charge élevés sans dépôt de
lithium métal. Il est ensuite nécessaire de s'assurer de la
constance de leurs performances
après les différentes
étapes d'élaboration des électrodes et des éléments. Enfin,
il faut veiller à la stabilité dimensionnelle de l'électrode au
cours des cycles charge-décharge, par exemple en ayant
recours à un graphite constitué de particules de structure
" isotrope ".
La matière active est déposée sur un collecteur de courant en cuivre d'épaisseur 12 pm. Un mélange de liants
assure sa cohésion et son adhérence au feuillard. Le procédé d'enduction est particulièrement élaboré pour minimiser
la proportion de liant, matière organique présente dans
l'anode et susceptible de réagir avec le lithium du composé
d'insertion. Ce procédé, par voie aqueuse, a permis de s'affranchir des liants fluorés potentiellement plus réactifs qui
étaient utilisés dans les débuts du lithium-ion. L'épaisseur
de l'électrode négative est également de 200 lm.
REE
WB
Septembre
1999
Le couvercle
comporte
également,
logé dans le pôle
positif, un coupe-circuit irréversible qui isole l'élément en
cas de surcharge prolongée. Le coupe-circuit est actionné
par la pression des gaz dégagés à la suite des réactions de
l'électrolyte
sur l'électrode positive lorsque la tension
atteint 4,5 V ou un état de surcharge d'environ 50%.
Lors du montage en batterie, les éléments reçoivent des
dispositifs de sécurité supplémentaires : d'abord un fusible
thermique irréversible réglé à 83'C et surtout un circuit
électronique de protection qui contrôle le courant ainsi que
la tension de chacun des éléments constituant la batterie. Il
interrompt aussi bien la charge que la décharge si le courant est trop élevé ou si la tension d'un élément sort des
limites fixées : 4,2 V en charge et 2,5 V en décharge. Sauf
de polyoléfines
d'épaisseur 25 m. Sa fusion à 130°C provoque l'obturation de la porosité et l'interruption des transferts ioniques
entre les électrodes, ce qui permet d'éviter un emballement
thermique en cas de court-circuit franc.
s'établisse dans l'élément, comme, par exemple, cela pourrait se produire lorsque la batterie est jetée au feu. L'évent
est dimensionné pour éviter, en toute circonstance, la rupture du boîtier et l'éjection de projectiles solides.
après un courant de charge excessif, l'action du circuit de
protection est réversible.
Séparateur
Le séparateur est un micro-poreux
Dispositifs de sécurité
Le couvercle comporte un évent ouvrant entre 12 et 15
bars. Il est destiné à éviter qu'une pression trop élevée ne
Principe de fonctionnement
La charge provoque l'oxydation
de la matière active
cathodique qui libère un ion Li par
électron. Les ions
lithium sont transportés vers l'anode, au travers du sépara-
Les batteries
lithium-ion
pour
équipements
électroniques
portables
3. Schémas des processlls
Charp,
d'échange de lithium entre
les électrodes en charge et
en décharge.
Graphite
Electrolyte
Oxyde de cobalt
Déchare
n
n
Electrolyte
Crraphite
0 Electron 0 Li (O) inséré
Oxyde de cobalt
ion Li'
inséré
constant et tension croissante jusqu'à 4,1 V, la seconde à
teur, par électro-migration. La réduction des ions lithium
conduit à la formation du composé d'insertion graphitelithium. On assiste en décharge aux réactions inverses.
L'ensemble des processus d'échange de lithium entre électrodes est schématisé sur la figure 3.
Au bilan, l'électrolyte
4,1 V et courant décroissant et tendant progressivement
vers zéro.
PERFORMANCES
ne participe pas aux réactions.
La technologie lithium-ion
Quant aux matières actives, elles conservent leur morpho-
a réussi sa percée spectacu-
rapport à l'état de l'art antérieur. Nous examinons ces propriétés ainsi que celles, moins favorables, qui laissent de
nombreuses applications aux éléments rechargeables alcalins (NiMH et NiCd).
miques.
est donnée par la différence
entre le potentiel de l'électrode positive et celui de l'électrode négative. Le potentiel de la positive varie avec son
état de charge. Celui de la négative est quasiment constant
Densité d'énergie
Le tableau
et supérieur de 100 mV à celui du couple Li+/Lio. La tension de l'élément en circuit ouvert varie comme le montre
le graphique de la figure 4.
2 donne une comparaison
des densités
d'énergie des 3 technologies rechargeables : NiCd, NiMH
et Li-ion, pour des éléments cylindriques et prismatiques
de petite taille (0,4 à 1,6 Ah). Il s'agit des performances
habituelles des éléments industriellement
disponibles.
L'équilibrage en capacité des électrodes est calculé pour
permettre, sans dépôt de lithium métal, un état de charge
de l'oxyde de cobalt correspondant à une tension de 4,2 V.
Un tel niveau peut survenir du fait de l'imprécision
DU LITHIUM-ION
laire à cause d'un ensemble de propriétés remarquables par
logie, aussi bien pendant la charge que la décharge. Seul le
lithium est échangé au cours des processus électrochiLa force électromotrice
Li (I) intercalé
Certains éléments offrent parfois des densités d'énergie
plus importantes mais, dans ce cas, le concepteur a dû se
résoudre à des concessions sur d'autres performances, en
des
particulier, la durée de vie ou la fiabilité.
La technologie lithium-ion permet de gagner typiquement plus de la moitié du poids d'une batterie nickel-cadmium et le tiers de celui d'une batterie nickel-métal hydrure. La comparaison en énergie volumique reste favorable
au lithium-ion mais de manière moins marquée. Pour cerner plus précisément l'avantage énergétique du lithium-
chargeurs et des disparités de performances entre éléments
d'une même batterie. Mais la tension nominale de fin de
charge est cependant fixée à 4,1 V pour garantir la sécurité
et la longévité des batteries en toutes circonstances. La
charge est effectuée à tension constante, en prenant soin de
limiter le courant au début de la charge. Dans la pratique,
la charge comporte deux étapes : la première à courant
Tableau 2. - Comparaison des densités d'énergies entre les trois technologies portables.
Nickel cadmium'' Nickel
Energie massique Wh/kg
métal hydrure
Lithium
40-60 50-80 100 -1
Energie volumique Wh/L i 100-200 200-250 230-2
I
REE
N'8
Septembre
1999
NOUVEAUX
Tableau3.
DE STOCKAGE
D
Ni-Cd
Produit catalogue
c
technologie
c
Masse (g)
150 155
Tension (V)
1,2
Capacité (Ah)
5
Energie
c (Wh)
D'ÉNERGIE
- Comparaison (le l'éiiergie d'élétîîejits de iiiasse et de ,oliii ? îe voisiis.
D 33600
Format
Statut
TYPES
6,0
MP 176065
MP176065
NiMH
lithium-ion
lithium-ion
En développement
Produit catalogue
En développement
150
155
1,2
3,6
3,6
8
5
5,5
9,6
18
20
1001-/ (160
300%
330 c
ion, une comparaison est établie dans le tableau 3 entre
des éléments de plus grande taille, dont la performance est
peut atteindre 1,6 V, pour une tension nominale 1,2 V, soit
une " surtension " supérieure à 30 %. Ce paramètre est à
plus caractéristique de l'électrochimie que de la conception
mécanique de la connexion et du boîtier. Il se trouve que 2
éléments MP 176065 (17 x 60 x 65 mm) occupent prati-
prendre en considération pour les batteries qui comportent
de nombreux éléments en série et pour lesquelles la surten-
quement le même espace que deux éléments cylindriques
de format D 33600 (diamètre 33 mm, hauteur 60 mm) ; il
est donc légitime de comparer directement les deux éléments.
Le MP, en plus de l'avantage procuré par la technologie
lithium-ion, bénéficie de la compacité que lui procure sa
forme prismatique.
Rendement de charge
sion devient importante en valeur absolue.
Température
Les éléments lithium-ion fonctionnent jusqu'à 60°C et
des excursions de quelques jours ou quelques heures sont
possibles à 70 ou 80°C respectivement. C'est principalement l'oxydation du solvant qui limite la plage utile de
température. En nickel-cadmium comme en métal hydrure,
il n'est pas recommandé d'opérer au-delà de 45°C, même
si certains éléments nickel-cadmium offrent encore des
Le rendement de charge des éléments lithium-ion est
voisin de 1, contrairement à celui des éléments nickel-cadmium et nickel-métal hydrure qui, pour une charge com-
performances exploitables à 55'C. Cette limitation résulte
de la médiocre stabilité à chaud de l'hydroxyde de nickel
et surtout, dans le cas du NiMH, de la corrosion de l'allia-
plète et selon le régime, exigent 10 à 50 % de supplément
de capacité. En contrepartie, les éléments alcalins acceptent sans danger d'être surchargés à régime modéré, même
si des surcharges prolongées ou répétées affectent leur
durée de vie. Le supplément de capacité nécessaire à leur
ge hydrurable.
charge complète est entièrement converti en chaleur et se
traduit donc par une élévation de température qui peut être
importante si le régime est rapide et la surcharge mal
contrôlée. Dans le cas du lithium-ion,
on observe un
échauffement par effet Joule pendant la phase à courant
constant (en début de charge), suivi d'un refroidissement
pendant la phase à tension constante.
Vers les basses températures, l'augmentation de résistivité de l'électrolyte affecte les performances en régime
rapide et ceci au-dessous de O°C, mais en régime plus lent,
les éléments lithium-ion fonctionnent jusqu'à -20°C. Cette
limite a été repoussée à -30°C pour les MP et il est prévu
que la génération 99 offre des possibilités de service à
-40'C. Les éléments nickel-cadmium permettent d'opérer
jusque vers -30°C, c'est-à-dire jusqu'à la congélation de
leur électrolyte. Certains éléments, avec des électrolytes
particuliers, fonctionnent encore à -40°C. Quant au métalhydrure, sa limite inférieure de fonctionnement se situe
actuellement vers - 1 O'C.
Tension, surtension
La tension des éléments lithium-ion
est comprise entre
4,1 V, en fin de charge et à l'état complètement chargé et
2,7 V qui est considéré comme la tension de fin de décharge, pour une tension moyenne ou nominale de 3,6 V. Cela
permet de faire fonctionner de nombreux circuits électroniques avec un élément unique, alors qu'il est nécessaire
de recourir à 3 éléments alcalins en série pour obtenir la
tension voulue.
La " surtension " entre la moyenne et le maximum est de
14 %. Pour les couples alcalins, la tension de fin de charge
REE
NI 8
191) 9
Connaissance de l'état de charge,
mode de charge
La mesure de la force électromotrice (en pratique, tension en circuit ouvert ou sous faible courant) permet de
déterminer en valeur relative l'état de charge de l'élément
lithium-ion
ou de la batterie. La courbe de la figure 4
représente la relation entre la tension et l'état de charge des
éléments MP. Cette propriété est due à l'oxyde lithiné de la
cathode, le potentiel de l'anode demeurant sensiblement
constant.
Les batteries
lithium-ion
pour
équipements
sans rapport avec les faibles modifica-
TENSION EN FONCTION DE L'ETAT DE CHARGE
MP 144350 Décharges par pas de 10% à C/20 et repos de 3h
tions structurelles
i
I
I -
_
i
décharge complète et ceci même à régime élevé. Les meilleurs éléments nickelcadmium atteignent ce niveau de performance qui est habituellement
inacces-
3,8
3.8
e'
3,6 i
...
F
qui accompagnent la
charge et la décharge. La perte de capacité est inférieure à 25 % de la capacité initiale après 1000 cycles de charge et
4,1
3,9
électroniques portables
sible aux éléments métal-hydrure nickelmétal hydrure surtout si les conditions de
3
3,4
3,3
charge sont médiocrement contrôlées.
3,2 - - - - - Puissance
3,1 3.1
0
tO
20
30
40
50
60
70
80
90
100
En charge
comme
en décharge,
la
supériorité
des éléments alcalins
est
manifeste. On peut, dans certaines condi-
4. Rel (itioii eiitre la teiisioii à coliraiit iiiil et l'état de charge.
tions, les charger en 15 à 30 minutes pour les décharger en
moins de 5 minutes. Il faut, au mieux 1 à 1,5 heure pour
Pour un état de charge donné, la relation ne varie pratiquement pas avec la température ou l'histoire de l'élément.
Cela s'explique par les faibles changements structurels que
subissent les matières actives. Dans le cas des couples
charger les MP et normalement 3 heures tandis que leur
décharge continue la plus rapide est effectuée en 30
minutes. Des pointes de courant beaucoup plus intenses
alcalins, la relation entre la tension en circuit ouvert et
l'état de charge n'est exploitable qu'en fin de charge et au
(jusqu'à 25 A pour le plus gros des MP) sont possibles
mais le niveau de tension peut alors devenir inacceptable
prix d'une correction de température.
Le lien étroit et constant entre la force électromotrice et
l'état de charge permet d'effectuer la charge à tension
pour l'application. Cette différence de comportement en
régime rapide entre les couples alcalins et le lithium-ion
est due à leur résistance interne et plus précisément à la
résistivité de leur électrolyte : la solution aqueuse de potasse qui constitue l'étectrotyte des éléments alcalins offre
une résistivité 100 fois plus faible que celle de la solution
en milieu organique utilisée dans les éléments lithium-ion.
Des surfaces d'électrode 4 à 5 fois plus grandes et des distances moyennes réduites de plus de moitié ne suffisent
constante, en l'occurrence 4,1 V, quelle que soit la température et l'état de charge initial. La seule contrainte est de
limiter le courant en début de charge. En fin de charge, le
courant tend à s'annuler. Les caractéristiques de charge du
MP 144350 (2 Ah, encombrement équivalent à celui de
3 AA) sont présentées sur la figure 5. Les éléments alcalins
ne sauraient être chargés à tension constante en raison du
pas à rattraper un tel handicap.
Les applications de puissance, telles que l'outillage
risque d'emballement thermique. Leur charge est effectuée
à courant constant et nécessite une détection de fin de char-
por-
table, ne peuvent s'accommoder des performances des élé-
ge si le régime est tant soit peu élevé (charge complète en
moins de 5 heures).
Conservation
CHARACTERISTIQUES
DE CHARGE
MP 144350
charge à 4.1 Và 20'C
de charge
En matière de conservation de charge,
la supériorité des éléments lithium-ion est'
patente. Au cours du premier mois de
stockage à température ambiante, à l'état
complètement chargé, la perte de capacité
des éléments nickel-métal hydrure dépasse généralement 30 % et peut atteindre le
double. Les éléments nickel-cadmium
font à peine mieux. Dans les mêmes
conditions, la perte de capacité des MP
s'établit entre 5 et 10 %, et l'écart de performance s'accroît avec la température.
4,2
4,2
2
4,0
4,0 nsion 1,6
n
1,7 0.85 et 0,34 A
:w: oà 3,8
3,81,2
3, 60,8
3,6
'r ; ; Courant
0,85 et 0 34 A
>
3,4
3,4
0,4
3,2
Cyclage
Les éléments MP ont un comportement
remarquable
en cyclage qui n'est pas
0
o
12345678
012345678
0
Durée de charge
(h)
5. C (iri (@léri,liclites de charge dit MP 144350.
REE
l, 8
Sept,,I,,, 1999
NOUVEAUX
ments lithium-ion,
mises en oeuvre.
TYPES
DE STOCKAGE
dans l'état actuel des technologies
D'ÉNERGIE
batterie est plus petite. Enfin, certains des matériaux, tels
que les carbones, les séparateurs et les électrolytes sont
encore éloignés de leur prix plancher industriel ; quant au
Sécurité
Les dangers présentés par les batteries lithium-ion tiennent d'abord au fait que les éléments contiennent un solvant organique inflammable et ensuite à leur densité
d'énergie. C'est surtout la forte densité d'énergie massique
qui crée le danger, car pour une même quantité d'énergie
convertie localement en chaleur à la suite d'un court-circuit, l'échauffement est moins important dans un élément
nickel-métal hydrure que dans un élément lithium-ion. Audelà de 150'C, son emballement thermique est difficilement évitable, s'il était complètement chargé. Les risques
potentiels de la technologie du lithium-ion
ont été pris en
cobalt, il est intrinsèquement coûteux. L'écart de prix par
unité d'énergie devrait donc s'amenuiser au point que
seules soient prises en compte les considérations de performance en regard des besoins de l'application.
Environnement
Les éléments lithium-ion
ne contiennent
pas de sub-
stances toxiques. Cependant, au même titre que l'ensemble
des générateurs électrochimiques, en raison de la présence
de métaux non ferreux et de composés corrosifs, les législations en vigueur ou en préparation prévoient l'obligation
de leur récupération et de leur recyclage. Du point de vue
compte dans la conception des produits et des usines et de
multiples dispositifs de sécurité ont été ajoutés pour en
rendre acceptable le niveau résiduel. Pour 600 millions
d'éléments mis en service, un seul accident sérieux, affec-
de l'environnement,
la supériorité
de la technologie
lithium-ion sur la plupart des autres technologies est que le
tant un utilisateur
MP renferment 10 % de cobalt soit 20 à 40 F selon les
fluctuations du cours mondial du métal, alors que, par ana-
de téléphone, a été rapporté à ce jour.
Cependant deux usines japonaises ont connu des dommages
n importants.
Pour un élément lithium-ion, la surcharge constitue le
seul abus réellement dangereux. Avec les MP, l'utilisateur
bénéficie de trois niveaux de protection. D'abord, avec le
chargeur, qui par construction ne peut pas surcharger la
batterie du fait du mode de charge à tension constante ;
ensuite, avec la batterie qui est équipée d'un circuit de protection électronique interrompant la charge si la tension
(donc l'état de charge) d'un des éléments devient
excessive ; enfin, avec chacun des éléments qui comporte
un coupe-circuit mécanique et un thermofusible.
Au total, il n'est pas exclu que les batteries lithium-ion
soient plus sûres que certaines batteries assemblées sans
précaution à partir d'éléments nickel-cadmium
métal hydrure de pacotille.
ou nickel-
Coût
Le coût des batteries lithium est notablement plus élevé
que celui des batteries nickel-cadmium
et nickel-métal
hydrure de capacités équivalentes. La différence, qui tend à
s'amenuiser, tient à 3 facteurs principaux : les investissements, les dispositifs de sécurité et les matériaux. Les
investissements industriels sont plus importants : électrodes de plus grande surface, opérations en salle sèche et
nécessité d'un contrôle unitaire à l'issue d'un test électrique sensiblement plus long. Les dispositifs de sécurité et
en particulier le circuit électronique de protection sont plus
coûteux et la différence est d'autant plus manifeste que la
REE
N'8
Septembre
1999
produit usagé recèle, sous forme de cobalt, une valeur résiduelle supérieure au coût de son recyclage. Les éléments
logie avec le nickel-cadmium, il faut prévoir un ordre de
grandeur n'excédant pas 20 F/kg pour leur traitement.
CONCLUSION
La supériorité de la technologie lithium-ion
est patente
dans presque tous les domaines et en particulier dans celui
de l'énergie massique, laquelle devrait encore faire l'objet
d'améliorations. Au chapitre de la puissance, le nickel-cadmium et le nickel-métal hydrure font et feront probablement toujours mieux que le lithium-ion.
Pour ce qui
concerne les coûts, le désavantage du lithium-ion tend à
s'amenuiser mais devrait subsister en raison des dispositifs
de sécurité supplémentaires qui sont pour l'instant indispensables mais qui le rendent particulièrement
fiable.
Cependant, il est des cas pour lesquels une solution " rustique " est préférable et, en matière de robustesse, le nickelcadmium a fait ses preuves.
Au global, il faut prévoir que nombre de nouveaux produits et de nouvelles applications feront dorénavant appel
de préférence aux batteries lithium-ion.
Richard DOISNEAU, ingénieurEPCI,Docteurès Sciences,
estdirecteur
commercial
MPchezSaftchargé
dudéveloppement
desventes
mondiales,
après
avoirétéde96à 98 le chefduprojetqui a aboutià la créationdela gamme
de
produitsLi-ionMPet à sonindustrialisation.
Au coursdeses25anschezSaft.
il a remplidesfonctions
industrielles
diversifiées
: développement,
contrôle
qualité,production,
directiond'établissement,
de division,de filiale (Japon
et
UK).