Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?

En tant que vecteur d'énergie électrique et source d'alimentation pour de nombreux appareils, nous pouvons dire que les batteries lithium-ion sont essentielles pour nous. Sans cela, notre monde a peu de chances de fonctionner correctement. Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion ? Et qu'est-ce qui le rend si important ?

Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion et comment ça marche ?

Les batteries lithium-ion sont des batteries rechargeables, ce qui signifie qu'elles reposent principalement sur le mouvement des ions lithium entre les électrodes positives et négatives. Lors de la charge et de la décharge, le Li+ s'intercale et se désintercale entre deux électrodes. Lors de la charge, Li + est désintercalé de l'électrode positive, puis intégré dans l'électrode négative par électrolyte, de sorte que l'électrode négative est dans un état riche en lithium. Lors de la décharge, vice versa.

La batterie au lithium peut être divisée en batterie au lithium et batterie au lithium-ion. Nous utilisons des batteries lithium-ion sur nos gadgets quotidiens comme les téléphones portables et les ordinateurs portables, mais nous les appelons généralement des batteries au lithium à la place. Généralement, les batteries au lithium utilisent des matériaux contenant du lithium comme électrodes, ce qui en fait l'icône des batteries hautes performances modernes. Les vraies batteries au lithium sont rarement utilisées dans notre vie quotidienne en raison de leur risque élevé pour la sécurité.

Avantages et inconvénients des batteries lithium-ion

Avantages

• Haute tension. La tension de fonctionnement de la cellule unique est aussi élevée que 3,7-3,8 V (3,2 V pour le phosphate de fer au lithium), soit trois fois celle des batteries Ni-Cd et Ni-MH.
• Grande énergie spécifique. L'énergie spécifique réelle est d'environ 555 Wh/kg, ce qui signifie que la capacité spécifique du matériau peut atteindre plus de 150 mAh/g (3-4 fois celle du Ni-Cd, 2-3 fois celle du Ni-MH), qui est proche de 88 % de sa valeur théorique.
• Longue durée de vie. Généralement, il peut atteindre plus de 500 fois, voire plus de 1000 fois de charge, et le phosphate de fer au lithium peut atteindre plus de 2000 fois.
• Petite auto-décharge . À température ambiante, le taux d'autodécharge d'un Li-ion complètement chargé après avoir été stocké pendant un mois est d'environ 2 %, ce qui est bien inférieur à Ni-Cd (qui est de 25 à 30 %) et Ni-MH (qui est 30-35%).
• Chargement rapide. La capacité de 1C peut atteindre plus de 80 % de la capacité nominale après une charge de 30 minutes, et celle d'une batterie au ferro-phosphore peut atteindre 90 % de la capacité nominale pendant 10 minutes.
• Température de travail. La température de travail est de -25 à 45 °C. Avec l'amélioration de l'électrolyte et de la cathode, on s'attend à ce qu'elle passe de -40 à 70 °C.

Inconvénients

• Vieillir facilement. Contrairement aux autres batteries rechargeables, la capacité des batteries lithium-ion diminuera lentement. Le taux de déclin dépend du nombre de fois utilisé et de la température. Étant donné que les températures élevées peuvent être destructrices (le matériau de la batterie sera décomposé), la fonctionnalité est plus facile à intégrer dans les produits électroniques à courant de fonctionnement élevé.
• Intolérance à la surcharge . En cas de surcharge, les ions lithium excessivement intégrés seront immobilisés de manière permanente dans le réseau et ne pourront pas être libérés, ce qui réduira la durée de vie de la batterie.
• Intolérance aux décharges excessives. Lors d'une décharge excessive, l'électrode désintercale trop d'ions lithium, ce qui entraîne un effondrement du réseau et une durée de vie de la batterie raccourcie.
• Problèmes de sécurité. L'électrolyte organique utilisé dans les batteries lithium-ion fait que la batterie présente certains risques pour la sécurité, comme la combustion ou même l'explosion.

Applications

À l'heure actuelle, les batteries lithium-ion sont principalement utilisées dans les domaines suivants.

Application dans les produits électroniques 

Les batteries lithium-ion peuvent être plus petites et plus légères, elles sont donc largement utilisées dans les produits électroniques portables. Avec la popularité des téléphones mobiles, des appareils photo numériques, des caméscopes, des ordinateurs portables et des consoles de jeux portables (PSP), le marché des batteries lithium-ion a maintenu une croissance rapide.

Application sur les véhicules de transport

La batterie lithium-ion présente les avantages d'une bonne densité d'énergie et de puissance. Dans l'ensemble, elle surpasse les autres batteries, elle a donc été largement utilisée dans divers véhicules électriques tels que les vélos électriques et les voitures électriques.

Application dans l'aérospatial  

En 2004, des batteries lithium-ion ont été utilisées dans Mars Lander et Rover. De plus, la Space Exploration Agency de la NASA et d'autres agences spatiales envisagent l'utilisation de batteries lithium-ion dans les missions spatiales. Actuellement, la fonction principale des batteries lithium-ion dans le domaine de l'aviation est de fournir un support pour la correction de lancement et de vol et le fonctionnement au sol.

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