Ybike version 01 phase 3 : technologies lithium-ion

Hello,

Après avoir vu les différents types de conditionnement pour les accus lithium-ion, nous allons voir les différentes chimies employées.

NiFe cell
Intérieur d’une cellule de type NiFe (chimie)

Je pourrai ainsi faire un choix raisonné et technique lié à mon utilisation (projet Ebike).

Batteries au plomb

Je ne vais pas employer ce type de batteries car leurs densité énergétique et trop faible. En gros, elles sont trop lourdes pour leurs capacités électriques. En dehors de ce problème, cela aurait pu être un bon choix car elles sont peu fragiles et se rechargent de nombreuses fois sans risque (ou presque…).

Batteries Ni-Cd et Ni-Mh

Ce type de batterie, en particulier le Ni-Mh (Nickel Métal Hydrure) a le même problème que les batteries au plomb : une densité énergétique insuffisante. De plus les batteries Ni-Cd (Nickel cadnium) sont interdites à la vente depuis le 31 décembre 2016.  Je ne les choisirai donc pas non plus.

Généralités sur les batteries lithium

Utilisation et capacité

Les batteries au lithium sont très utilisées dans les matériels électroniques récents ayant besoin de capacités énergétiques élevées (téléphones portables, ordinateurs portables, outillages portatifs, etc). Leur densité énergétique est donc très élevée : il y a donc beaucoup d’énergie dans un volume faible.

Dangerosité

Au niveau de la dangerosité, elles sont considérées comme moyennement dangereuses si on les emploie en prenant les précautions d’usage. Il y a en particulier des conditions à respecter pour leur stockage, leur manipulation, leur utilisation et leur rechargement. Cela fera l’objet d’un autre article de blog. Dans le cas contraire, il y a un risque de départ de feu voire d’explosion.

Nombre de cycles

En ce qui concerne le nombre de cycles de rechargement on  a coutume de dire qu’il vont de 300 (parfois 200) pour les modèles les moins performants sur ce critère à plus de 1000 (parfois 2000). Je vous parlerai de la façon d’optimiser la charge ou la consommation pour optimiser de nombre de cycles et aller au delà, mais ne vous attendez pas à quelque chose de « magique », il y a toujours une contrepartie.

Prix

Au niveau du prix, on est au dessus des technologies plomb et Ni mais il faut considérer la densité énergétique. Au sein de la famille lithium, les batteries les moins chères sont les RC lipo (pour les Modèles réduits RadioCommandés) et les plus chères sont les lithium fer phosphate (technologie récente). Les batteries lithium-ion habituelles (Pouch cell ou cylindriques) ont un tarif intermédiaire.

Tension de sortie

La tension de sortie nominale est généralement entre 3,6 et 3,7V (à vide et hors charge). Au niveau de la tension max à vide, on atteint souvent 4,2V. Au delà on est en surcharge, ce qui nuit à la chimie interne et peut parfois être dangereux (risque d’incendie). Au niveau de la décharge il ne faut pas aller en dessous 2,5V, ce qui détruit aussi la chimie et peut être dangereux en cas de recharge (risque d’incendie à nouveau). Dans la pratique il est courant de charger jusqu’à un peu plus de 4V (mais pas plus) et de ne pas décharger sous 3,2V.

Certaines nouvelles technologies autorisent une charge jusqu’à 4,4V mais ceci reste exceptionnel. Pour plus d’informations et en guise de conclusion sur cette partie, il faut toujours consulter le datasheet du constructeur (la feuille de données techniques). Voici un exemple de datasheet pour des accus de type 18650 de marque Samsung :
http://www.datasheetspdf.com/datasheet/download.php?id=829619

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4 ou li-manganese)

Cette chimie a été développée dans les années 1970 jusque dans les années 1980. Elle a été une des premières chimies lithium a être mise sur le marché. La puissance délivrée par ce type d’accu est assez importante et la stabilité thermique est correcte. Elle est considérée comme peu dangereuse. Le problème de cette technologie est le faible nombre de cycles de recharge ce qui est ennuyeux quand on veux aller travailler tous les matins à vélo… Ce ne sera pas mon choix pour cette raison

Chimie Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2 ou li-cobalt)

Ce type de chimie a été développé à peu près en même temps que les précédentes. Le coût est assez bas et la capacité est assez élevée mais on ne peut pas débiter (ou charger avec) beaucoup de courant. La stabilité thermique est moins élevée que la précédente et le nombre de cycle de charge est faible. La densité énergétique est moyenne. Ce ne sera pas mon choix pour ce type de techno pour les raisons évoquées. En effet, l’intensité délivrée pour le moteur est élevée.

Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoCo2 ou NMC)

C’est un chimie récente dont évidemment le but est de palier les contreparties des chimies plus anciennes. Ces cellules peuvent débiter un courant assez élevé, ont une capacité correcte et sont peu dangereuses. Elles sont de bonnes candidates pour des applications standard. Par exemple la Samsung NMC INR18650-25R peut délivrer une puissance correcte avec un capacité cependant qui reste moyenne. Cette chimie peut être une bonne candidate pour mon Ebike.

Lithium Nickel Cobal Aluminium Oxide (LiNiCoAlO2, NCA, ou NCR)

Cette chimie ressemble à la précédente mais l’apport d’aluminium aide à avoir une capacité plus élevée. La contrepartie est que cela fait baisser le nombre de cycles de chargement. Par contre cette chimie est prometteuse pour les applications demandant une forte densité énergétique. C’est ce type qui a été choisi par l’entreprise américaine Tesla pour leurs voitures électriques. Cela pourrait être une technologie à utiliser…

Lithium polymer (li-poly ou lipo ou RC lipo)

Le terme lipo est un terme souvent utilisé par beaucoup de personnes pour désigner les batteries lithium-ion. Ceci est dû au fait que la chimie employée est du type « solide » et non pas avec une électrolyte liquide comme dans les batteries au plomb. L’électrolyte solide est empaquetée avec une pâte de type polymère ce qui a donne ce nom générique et apporte de la confusion.

Pour le moment, la vrai technologie lithium polymère n’est pas encore sortie des labo. Il y a encore des problèmes de mise au point avant une arrivée sur le marché même si cette techno est très prometteuse pour l’avenir.

La confusion vient du fait que de nombreux fabricants ont commencé à appeler leurs cellules et en particulier les pouch cells, des cellules « lipo » alors qu’ils auraient dû les appeler « lithium-ion polymer ». Ceci a donc renforcé le nom générique « Lipo ».

Aujourd’hui, le terme lipo est surtout utilisé en ce qui concerne les batteries utilisées pour les modèles radio-commandés, elles sont faites pour délivrer un courant très important (« High power batteries »). Pour éviter la confusion, je vais donc les désigner sous le terme RC lipo.

Bon, je sais, tout n’est pas simple dans le monde des batteries, j’espère que je ne vous ai pas perdu…

Je vais donc parler maintenant des batteries pour modèles réduits RC (RC lipo). Si elles sont capable de délivrer un courant très important, elles sont aussi les plus dangereuses. Elles nécessitent un chargeur adapté de type modélisme capable de charger les cellules très rapidement (donc avec un courant élevé) mais aussi de garantir la sécurité. Ces chargeurs sont souvent prévus pour fonctionner en extérieur avec une prise de batterie auto. Voici un exemple :

Chargeur 4 canaux pour cellules RCLipo haute densité.

Ils garantissent une procédure de chargement/déchargement correcte, sont personnalisables et sont réservés à des utilisateurs avertis (modélistes chevronnés). On va donc les trouver en priorité sur les drones, avions et voitures radio-commandés.

La chimie pour ces cellules est de type Lithium Cobalt. Ce sont, comme je l’ai dit plus haut, les cellules les moins chères. On peut donc les utiliser pour des vélos électriques grâce à leur haute densité mais il ne faut pas s’attendre à un nombre de cycles élevé (souvent moins de 200).

Au niveau des données techniques, leur tension nominale est de 3,7 V (à vide). Il n’est pas recommandé de les décharger en dessous de 3,0V. Souvent, les modélistes évitent de les décharger en dessous 3,2V pour augmenter le nombre de cycles de charge. Attention, sous charge, il faudrait ne pas descendre en dessous 3,0V. Bien sûr, on ne doit pas les charger au dessus de 4,2V (à vide)…

Comme je ne suis pas fortuné et que je ne tiens pas à déclencher un feu de vélo (le risque est trop élevé), je ne prendrai donc pas ce type d’accu.

Lithium Iron Phosphate (LiFePo4)

C’est une techno assez récente. La densité énergétique de ces cellules est moins élevée que la moyenne, il faut compter parfois le double du volume. Le courant de décharge max est aussi moins élevé. Le prix est environ de plus 20% par rapport aux cellules lithium-ion courantes. Mais alors, quelles sont les contreparties ? Heureusement, le nombre de cycles de charge est très élevé (plus de 2000). Actuellement, ce sont les cellules les moins dangereuses. Le départ et la propagation du feu semblent très difficiles…

Pour les tensions d’utilisation, on a une tension nominale de 3,2V (entre 2,5 et 3,65V). Le fait de descendre en dessous de 2,5 est dégradant mais ne cause pas de problème de départ de feu.

Il faudra donc réserver ces cellules pour des applications moyenne puissance et haute sécurité. Il faudra un local de stockage avec un peu de place.

Ces cellules auraient pu faire de bonnes candidates grâce à leur capacité et leur côté sécuritaire mais elles restent un peu chères et manquent un peu de punch (un peu lourd sur un Ebike déjà assez lourd comme ça). Au niveau des conditionnement, on les trouve en version prismatique ou cylindrique avec connecteurs de soudage (ou vis), ce qui peut être intéressant. Le fabriquant A123 produit des cellules de qualité.

A123 cell (LiFePo4)
Cellule cylindrique de type LiFePo4 de marque A123 avec des connecteurs de soudage à l’étain.

Ce ne sera pour le moment pas mon choix, je vais attendre que les prix baissent et que la techno évolue (manque de capacité).

Conclusion

Tout ce que je peux écrire aujourd’hui sur ces technologies méritera sans doute une révision demain grâce à de nouvelles évolutions. De nombreux laboratoires de recherche travaillent sur l’amélioration de ces technologies.

Il faut retenir que les critères à prendre en compte sont les suivants :

-la densité énergétique (beaucoup d’énergie dans  un faible poids)

-la capacité à fournir un courant élevé au niveau de la charge (nombre d’ampères max en débit)

-le prix

-la capacité à ne pas se détériorer si on dépasse les conditions d’utilisation normales (facilité/tolérance de charge/décharge)

-la dangerosité (incendie, explosion)

-le nombre de cycle de recharge.

En tenant compte de tous ces paramètres, et c’est mon  choix actuel, j’opterai pour une technologie de type NMC, NCA ou NCR.

Ouch, c’était long  à rédiger. Mais un choix technique ne peux se faire qu’en connaissance de cause.

Pour le prochaine article, je parlerai de l’endroit où se procurer ces accus ainsi que des problèmes de contrefaçon, et là non plus, j’ai dû faire de nombreuses recherches pour arriver à mes fins…

Laisser un commentaire

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.