Guide des technologies de batteries modernes

Alors que le monde se concentre de plus en plus sur les solutions de stockage d'énergie, il est essentiel de comprendre la technologie de base qui se cache derrière ces systèmes, à savoir les batteries. Chez RICHYE, nous avons compilé un guide détaillé et facile à suivre conçu pour vous aider à comprendre les principes fondamentaux des batteries et de leurs applications. À la fin de cette ressource, vous disposerez de bases solides en matière de technologie des batteries et serez sur la bonne voie pour acquérir des connaissances sur cette industrie vitale. Bon parcours d'apprentissage !

1. Le paysage des batteries

Types de batteries et leurs caractéristiques

Piles primaires (à usage unique)

Piles Zinc-Carbone : Ces piles de base sont couramment utilisées dans les objets du quotidien comme les télécommandes et les horloges murales. Bien qu'elles soient abordables, elles ont une durée de vie courte et une densité énergétique plus faible.

Piles secondaires (rechargeables)

Batteries au plomb-acide : Largement utilisées dans les véhicules et les petits véhicules électriques, les batteries plomb-acide sont économiques et fiables. Cependant, elles sont relativement lourdes et offrent une densité énergétique inférieure à celle des technologies plus récentes.
Piles au nickel-cadmium (NiCd) : Autrefois populaires dans les premiers téléphones portables, les batteries NiCd sont désormais largement obsolètes en raison de leur impact environnemental et de leur effet mémoire, qui réduit leur efficacité au fil du temps.
Batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) : Ces batteries sont utilisées dans des applications nécessitant des courants de décharge élevés, comme les équipements médicaux et les véhicules hybrides. Elles sont plus respectueuses de l'environnement et offrent une meilleure densité énergétique que les batteries NiCd.
Batteries lithium-ion : Couramment utilisées dans l’électronique moderne, notamment les smartphones et les ordinateurs portables, ainsi que dans les véhicules électriques, les batteries lithium-ion offrent une densité énergétique élevée et une longue durée de vie sans l’effet mémoire observé dans les batteries NiCd.

Technologies émergentes

Piles à flux : Idéales pour le stockage d'énergie à grande échelle en raison de leur nature évolutive, les batteries à flux utilisent des électrolytes liquides séparés par une membrane. Elles sont encore en cours de développement pour des applications mobiles.

Chaque type de batterie présente des atouts et des faiblesses spécifiques, ce qui les rend adaptés à différentes applications dans divers secteurs. Grâce aux avancées technologiques, de nouveaux types de batteries, comme les batteries à semi-conducteurs et les batteries avancées au lithium, devraient encore améliorer les performances et la sécurité.

Note: Le terme «batterie au lithium« Au départ, le terme « batteries au lithium » faisait référence aux batteries au lithium métal primaire, qui sont aujourd’hui obsolètes en raison de problèmes de sécurité. Aujourd’hui, les « batteries au lithium » désignent généralement les batteries lithium-ion. On peut citer comme exemples les piles sèches AA et AAA utilisées quotidiennement, les premiers téléphones portables équipés de batteries NiMH et les batteries lithium-ion présentes dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques modernes.

2. Terminologie des piles de clés

SOX : État de X

H (Santé) : Indique l'état général de la batterie.
C (Capacité) : Désigne la capacité totale de stockage d’énergie de la batterie.
P (Puissance) : Indique la capacité de la batterie à fournir de l'énergie rapidement.
E (Énergie) : Représente le contenu énergétique de la batterie.

SOC (État de charge) : Ce terme décrit la quantité de charge qu'une batterie détient à un moment donné, de 0 (complètement déchargée) à 1 (complètement chargée), de la même manière que la mesure du niveau d'eau dans un seau.

DOD (profondeur de décharge) : Indique la proportion de la capacité de la batterie qui a été utilisée. Une batterie complètement chargée a un DOD de 0, tandis qu'une batterie complètement déchargée a un DOD de 1. La relation entre DOD et SOC est exprimée comme suit : DOD + SOC = 1.

3. Batterie lithium-ion Classifications

Par performance :

Type d'alimentation : Conçu pour une puissance de sortie élevée sur de courtes périodes.
Type d'énergie : Optimisé pour le stockage d'énergie à long terme.

Par forme physique :

Cylindrique: Forme cylindrique standard.
Prismatique (boîtier en acier/aluminium) : Forme rectangulaire ou carrée avec boîtiers métalliques.
Pochette (Film plastique aluminium) : Boîtier en film souple et léger.

Par matériau d'électrolyte :

Batterie lithium-ion liquide (LIB) : Utilise des électrolytes liquides pour les applications électriques.
Batterie lithium-ion polymère (PLB) : Utilise des électrolytes polymères solides ou gélifiés.

Par matériau de cathode :

Phosphate de fer et de lithium (LFP) : Connu pour sa sécurité et sa longévité.
Oxyde de lithium et de cobalt (LCO) : Offre une densité énergétique élevée mais une durée de vie plus courte.
Oxyde de lithium et de manganèse (LMO) : Équilibre puissance et capacité.
Piles binaires et ternaires : Inclut des variantes telles que LiNiMnO2, LiNiCoO2, NCM et NCA.

Par matériau d'anode :

Titanate de lithium (LTO) : Remarqué pour une charge rapide et une stabilité de cycle élevée.
Batteries en graphène et en nano-fibre de carbone : Utilisez des matériaux avancés pour améliorer la conductivité et la capacité.

Batterie 18650 : La 18650 est un modèle de batterie lithium-ion standardisé, « 18 » désignant un diamètre de 18 mm et « 65 » une longueur de 65 mm. Elle est généralement disponible en versions lithium-ion et lithium-fer-phosphate (LiFePO4), avec des capacités et des tensions variables. Sa standardisation garantit fiabilité et sécurité, avec des améliorations au fil du temps pour éviter les dangers potentiels.

4. Batterie lithium-ion Tension et capacité

La tension des batteries lithium-ion varie en fonction du courant de décharge, de la température et des matériaux des électrodes. La tension change pendant la charge et la décharge, mais la tension moyenne de 3,7 V est généralement utilisée. Les progrès des matériaux ont conduit à des variations des tensions et des capacités nominales, optimisant les performances pour différentes applications.

5. Pourquoi choisir les batteries lithium-ion ?

Léger: Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique plus élevée (200-260 Wh/kg) par rapport aux batteries plomb-acide et NiMH, ce qui les rend nettement plus légères pour la même capacité.

Charge rapide : Les batteries lithium-ion peuvent être complètement chargées en environ 3 heures, beaucoup plus rapidement que les batteries NiMH.

Pas d’effet mémoire : Contrairement aux batteries NiMH, les batteries lithium-ion ne souffrent pas d'effet mémoire et conservent leur capacité sans nécessiter de cycles de charge-décharge prolongés.

Respectueux de l'environnement : Par rapport aux batteries plomb-acide, les batteries au lithium sont moins polluantes et offrent de meilleures possibilités de recyclage.

6. Considérations de sécurité pour Piles au lithium

Malgré leurs avantages, les batteries au lithium présentent des risques en matière de sécurité en raison de la nature hautement réactive du lithium. Des problèmes tels que l'emballement thermique (provoqué par une surcharge, une surchauffe ou des dommages physiques) peuvent entraîner des réactions dangereuses. Des conceptions et des protocoles de sécurité améliorés sont essentiels pour atténuer ces risques.

Emballement thermique : Peut être déclenché par une utilisation mécanique, électrique ou thermique abusive, entraînant une chaleur excessive et des risques potentiels pour la sécurité.

7. Applications et perspectives d'avenir

Applications :

Véhicules électriques (VE) : Les batteries lithium-ion sont essentielles pour alimenter les voitures électriques, offrant une densité énergétique et une longévité élevées.
Stockage d'énergie renouvelable : Utilisé pour stocker l'énergie provenant de sources intermittentes comme le solaire et l'éolien.
Électronique grand public : Indispensable pour les appareils tels que les smartphones, les ordinateurs portables et les tablettes.
Aérospatiale et Défense : Fournit de l’énergie aux satellites, aux engins spatiaux et aux équipements militaires.
Dispositifs médicaux : Alimentez des appareils critiques comme des stimulateurs cardiaques et des outils de diagnostic portables.

Progrès :

Batteries à semi-conducteurs : Offrez une sécurité et une densité énergétique améliorées avec des électrolytes solides.
Batteries au lithium-soufre : Visez une densité énergétique plus élevée, avec des recherches en cours sur les limites actuelles.
Technologies de recyclage : Améliorer l’efficacité de la récupération des matériaux précieux des batteries usagées.

Orientations futures :

Stockage à grande échelle : L'utilisation du stockage sur réseau augmente à mesure que les coûts diminuent.
Fonctionnalités de sécurité améliorées : Innovations en cours pour réduire les risques liés aux batteries au lithium.
Améliorations de la chaîne d’approvisionnement mondiale : Efforts visant à assurer un approvisionnement stable et durable en matériaux essentiels.

Ce guide vise à fournir une compréhension approfondie des technologies de batteries et de leur évolution. Chez RICHYE, nous nous engageons à vous aider à naviguer et à exploiter les avancées de la technologie des batteries pour un avenir plus durable.