Avant de connaître la capacité de puissance d'une batterie, il est très important de comprendre sa densité d'énergie. Une batterie avec une densité d'énergie plus élevée a tendance à fonctionner plus longtemps que toute autre batterie.
Les batteries comme les batteries lithium-ion s'orientent désormais vers une augmentation de la densité énergétique. En effet, l'augmentation de la densité peut augmenter considérablement la capacité de tension et le taux de décharge de la batterie.
Cependant, il existe des exigences et des objectifs pour améliorer la densité énergétique. Qu'est-ce que c'est? Examinons-les en détail ci-dessous.
Qu'est-ce que la densité d'énergie dans les batteries ?
Les gens confondent souvent la densité d'énergie avec le terme densité de puissance. Mais, les deux sont des termes différents utilisés pour différentes mesures. Par exemple, la densité de puissance est la mesure de l'efficacité énergétique d'une batterie tandis que la densité d'énergie est l'énergie mesurée en réponse à son poids.
Pour mesurer la rapidité avec laquelle l'énergie peut être transmise d'une cellule à une autre, vous pouvez utiliser le terme densité de puissance. Alors que la densité d'énergie correspond à la quantité d'énergie qu'une batterie contient en fonction de son poids.
De plus, la façon dont vous mesurez la densité d'énergie de la batterie lithium-ion est simple et se fait en wattheures par kilogramme ou simplement symbolisée par Wh/kg. C'est aussi l'unité d'énergie électrique qui indique la quantité d'énergie consommée par heure en watt.
Article connexe: Combien de temps une batterie domestique de 10 kWh durera-t-elle pendant une panne ?
Quelle est la densité d'énergie de la batterie lithium-ion ?
À ce stade, vous savez clairement ce que cela signifie en mesurant la densité d'énergie d'une cellule ou d'une batterie. Mais, comment pouvez-vous mesurer l'énergie de la batterie lithium-ion est toujours en question. Eh bien, la densité d'énergie est généralement divisée en deux sections :
I. Densité d'énergie pondérale
II. Densité d'énergie volumique
La quantité d'énergie contenue dans une batterie est une caractéristique très importante de toute batterie et est nécessaire pour mesurer sa durée de fonctionnement. Pour les batteries lithium-ion, la densité d'énergie se situe entre 50 et 260 Wh/kg, ce qui se situe comparativement entre la plage de densité des autres batteries.
Comment calculer la densité d'énergie d'une batterie lithium-ion ?
Généralement, il existe deux façons de déterminer la densité d'énergie d'une batterie. L'une est la mesure d'énergie gravimétrique et l'autre est la mesure d'énergie volumétrique. Ces deux mesures sont prises dans l'unité standard de Wh/kg et donc égales à un watt et une heure de consommation.
Pour calculer la densité d'énergie de la batterie lithium-ion, différentes formules sont utilisées. La formule de calcul standard et simple est la suivante :
● Tension nominale de la batterie (V) x Capacité nominale de la batterie (Ah) / Poids de la batterie (kg) = Énergie spécifique ou densité d'énergie (Wh / kg).
A partir de cette mesure, on peut facilement calculer la densité d'énergie des batteries lithium-ion si l'on connaît les valeurs de la tension nominale, de la capacité de la batterie et du poids de la cellule. Par ailleurs, voici deux autres formules pour calculer la densité d'énergie d'une batterie lithium-ion :
● Densité énergétique (Wh/L) = capacité de la batterie × tension/volume de la plate-forme de décharge
● Poids de la batterie Densité énergétique = capacité de la batterie × plate-forme de décharge/poids
Le premier utilise le Wh/L comme unité standard de calcul tandis que le second utilise le Wh/kg comme unité standard. Les deux formules sont essentielles pour calculer la quantité d'énergie dans les batteries lithium-ion.
Si l'on souhaite calculer la densité d'énergie des batteries lithium-ion à différents intervalles, il peut utiliser la formule suivante pour différentes périodes de temps :
● Pour la consommation électrique quotidienne
Consommation d'énergie quotidienne = puissance nominale x temps en heures. 2000 Watts x 3 heures = 6000 Watts-heure.
● Pour la consommation électrique mensuelle
Consommation d'énergie mensuelle = puissance nominale x temps en heures. 2000 3 watts x 30 heures x 180000 jours = XNUMX XNUMX watts-heure
De plus, pour calculer la densité d'énergie en joules, vous pouvez multiplier le nombre de watts par le nombre de secondes comme (60 watts) x (120 secondes) = 7200 Joules.
Article connexe: Combien de piles sont nécessaires pour alimenter une maison ?
Densité de puissance vs densité d'énergie : quelle est la différence ?
Comme mentionné précédemment, la densité de puissance et la densité d'énergie sont des termes entièrement différents et ont leur propre utilisation dans différentes cellules de batterie. La densité de puissance fait simplement référence à la rapidité avec laquelle une batterie peut fournir l'énergie ou l'efficacité d'une cellule.
D'autre part, la densité d'énergie est la mesure de la quantité d'énergie que possède une batterie en réponse à son poids. Pour mieux le comprendre, voici quelques points différentiels majeurs entre les deux :
● La densité de puissance n'est pas une mesure importante pour calculer l'autonomie d'une batterie. D'autre part, la densité d'énergie mesure la durée de vie de votre batterie.
● Pour mesurer les performances de la batterie, son poids, sa taille et ses dimensions, la densité d'énergie est largement applicable autre que la densité de puissance.
● La durée de vie d'une batterie totalement mesurée par la densité d'énergie et non par la densité de puissance.
Comparaison de densité d'énergie : quelle batterie a la densité d'énergie la plus élevée ?
Lorsqu'il s'agit de déterminer la densité d'énergie de différentes batteries cellulaires, vous devez être très prudent car toutes les cellules ont des plages de densité différentes. Par conséquent, la meilleure façon de savoir quelle cellule a la densité d'énergie la plus élevée est d'examiner sa chimie interne.
Nous avons discuté de la densité d'énergie des batteries lithium-ion. Mais est-ce la quantité d'énergie maximale d'une batterie ? Non, voici une liste d'autres cellules de batterie populaires qui affichent différentes plages d'énergie : -
➔ La batterie au plomb a une densité d'énergie de l'ordre de 30 à 50 Wh/kg
➔ La batterie au nickel-cadmium a une densité d'énergie de l'ordre de 45 à 80 Wh/kg
➔ La batterie nickel-hydrure métallique a une densité d'énergie de l'ordre de 60 à 120 Wh/kg
➔ La batterie lithium-ion a une densité d'énergie de l'ordre de 50 à 260 Wh/kg
Le tableau montre les variations de densité d'énergie des différents types de batteries :
| Type de pile | Coût $ par Wh | Wh / kg | Wh/litre |
| Plomb | $0.17 | 41 | 100 |
| Alcaline longue durée | $0.19 | 110 | 320 |
| Carbone-zinc | $0.31 | 36 | 92 |
| NiMH | $0.99 | 95 | 300 |
| NiCad | $1.50 | 39 | 140 |
| Lithium-ion | $0.47 | 128 | 230 |
À partir de là, il est clairement entendu que les batteries lithium-ion ont la densité d'énergie maximale et possèdent donc une grande quantité d'énergie que toute autre batterie sur le marché. Cependant, il montre aussi quelques variations.
Comme vous le savez, les batteries lithium-ion se composent en outre d'un groupe de cellules plus petites dans leur composition, ce qui contribue à augmenter les performances de la batterie. Ces types de batteries contiennent différents électrolytes dans leur solution.
Certains ont du graphite comme cathode tandis que d'autres ont de l'aluminium, de sorte qu'ils contiennent une densité d'énergie différente. Examinons les densités d'énergie de différents types de batteries au lithium-ion.
1. Piles au lithium-titanate (LTO)
L'une des batteries lithium-ion les plus utilisées en tant que titans de l'industrie sont les batteries au titanate de lithium (LTO). Bien que ceux-ci soient les plus anciens par leur nature et leur composition, ils ont une densité énergétique de 50 à 80 Wh/kg.
Dans les cellules au lithium de type batterie LTO, le titanate de lithium est utilisé comme anode à la place du carbone, ce qui permet une entrée et une sortie rapides des électrons dans les cellules. Bien que leur densité d'énergie soit relativement faible par rapport aux autres cellules lithium-ion, elles sont utilisées dans les appareils médicaux et les véhicules.
2. Piles au lithium-oxyde de cobalt (LCO)
Contrairement aux batteries au titanate de lithium, les batteries au lithium-oxyde de cobalt ont une densité d'énergie plus élevée et constituent ainsi la base des téléphones portables, des ordinateurs portables et d'autres véhicules électriques. La quantité d'énergie qu'ils transportent varie de 150 à 200 Wh/kg.
En raison de la haute énergie de ces types de batteries au lithium, elles sont coûteuses et nécessitent un entretien plus important que toutes les autres cellules de batterie. De plus, les batteries LCO utilisent de l'oxyde de cobalt comme cathode typique qui est un matériau très dense et volatil. Ainsi, ces batteries ont un risque de surchauffe plus élevé et sont sensibles aux plages de température plus élevées.
3. Piles au lithium nickel manganèse oxyde de cobalt (NMC)
Tout comme les batteries LCO, ce type de batterie au lithium utilise du cobalt comme cathode dans sa composition. Outre le cobalt, ils contiennent également du nickel et du manganèse, ce qui contribue à augmenter la stabilité des cellules de la batterie. Avec cela, les batteries NMC ont une densité d'énergie de batterie de 150 à 220 Wh/kg.
Les types de batteries NMC sont largement utilisés dans les véhicules électriques, mais ils constituent également une part importante des dispositifs médicaux et des vélos électriques. Leur haute densité d'énergie de batterie et leur capacité de fabrication en ont fait les batteries lithium-ion stables et les plus populaires sur le marché.
Contrairement aux batteries LCO, les batteries Nickel Manganèse Cobalt ne sont pas sensibles aux hautes températures. Ainsi, ils peuvent facilement gérer des plages de température et de pression élevées.
4. Batteries lithium fer phosphate (LFP)
L'une des batteries les plus adorables, sûres et fiables de l'industrie est la Batterie lithium fer phosphate (LFP). Ils ont une densité d'énergie élevée de 90 à 160 Wh/kg, ce qui est inférieur aux batteries au cobalt mais reste supérieur à certains autres types de batteries au lithium populaires.
De plus, l'électrode en graphite et le support métallique de l'anode des batteries LFP en faisaient des batteries peu coûteuses, non toxiques et idéales pour les équipements lourds. Le point positif est que LiFePo4 est un minéral organique naturel et est donc très fiable par rapport aux batteries au plomb.
Pour illustrer la différence et la comparaison de la densité d'énergie entre les différents types d'énergie de cellules lithium-ion, regardez le tableau ci-dessous :
| Type de batterie au lithium-ion | Densité énergétique (Wh/kg) | Avantages | Inconvénients |
| Titanate de lithium (LTO) | 50-80 | Longue durée de vie, stable | Faible densité d'énergie, plus cher |
| Oxyde de lithium et de cobalt (LCO) | 150-200 | haute densité d'énergie | Volatil et coûteux |
| Oxyde de lithium-nickel manganèse-cobalt (NMC) | 150-220 | haute densité d'énergie | Plus sûr que LCO mais encore relativement instable et coûteux |
| Phosphate de fer au lithium (LFP) | 90 -160 | Densité énergétique moyenne-élevée | Densité énergétique stable, durable et plus élevée |
FAQ sur la densité d'énergie des batteries lithium-ion
Comment augmenter la densité énergétique de la batterie ?
La structure d'une cellule de batterie est conçue de manière à ce que vous puissiez facilement améliorer les capacités de fabrication d'une batterie en cas de besoin. Ainsi, si vous souhaitez augmenter la densité énergétique de la batterie lithium-ion, vous devez vous concentrer sur les deux facteurs suivants :
I. Augmenter la taille de la batterie
En augmentant la taille ou les dimensions d'une batterie, vous pouvez facilement améliorer les performances de la batterie. En modifiant la taille de la batterie d'origine, vous pouvez facilement améliorer la densité d'énergie à une plus grande échelle.
II. Modification de la composition chimique
La composition d'une batterie compte aussi beaucoup. La modification de la composition de l'électrolyte peut également améliorer la capacité de la batterie. Vous pouvez le faire en améliorant les électrodes positives et négatives de votre batterie et en les modifiant avec un matériau solide.
Quelle est la différence entre la densité de puissance et la densité d'énergie ?
La densité de puissance est la mesure de l'efficacité énergétique d'une batterie tandis que la densité d'énergie est l'énergie mesurée en réponse à son poids. Par conséquent, les deux sont deux termes différents et jouent un rôle majeur dans la détermination de la capacité de puissance et de la durée de vie d'une batterie.
Pour mesurer la rapidité avec laquelle l'énergie peut être transmise d'une cellule à une autre, vous pouvez utiliser le terme densité de puissance. Alors que la densité d'énergie correspond à la quantité d'énergie qu'une batterie contient en fonction de son poids.
Quelle est la différence de densité d'énergie entre les batteries à essence et au lithium-ion ?
En ce qui concerne la densité d'énergie des batteries à essence et au lithium-ion, l'essence a une densité d'énergie 100 fois supérieure à celle de toute autre batterie. Comme nous le savons, une batterie lithium-ion a une densité d'énergie d'environ 0.3 MJ/litre tandis que l'essence a une densité d'énergie de 13 KWh/kg. C'est la raison pour laquelle l'essence est largement utilisée dans les voitures et les véhicules entièrement équipés.
Les batteries au lithium-ion ont-elles une densité d'énergie plus élevée que les batteries au plomb ?
Bien que les batteries au plomb aient une grande importance parmi les batteries rechargeables populaires en termes de densité d'énergie, elles occupent une place faible dans le tableau. Avec une plage de densité d'énergie de 30 à 50 Wh/kg, les batteries plomb-acide sont en retard par rapport à la plage de densité d'énergie des batteries lithium-ion de 50 à 260 Wh/kg.
De plus, les batteries lithium-ion sont constituées de types de cellules plus petites avec différentes plages d'énergie et sont donc thermiquement plus stables. Cette densité d'énergie élevée en fait le type de batterie idéal à utiliser dans alimentations de secours, UPS, et produits électroniques. De plus, ils sont le premier choix du secteur automobile et de l'électronique automobile.
Verdict final
Maintenant, vous avez bien compris la densité énergétique des batteries lithium-ion et comment vous pouvez la mesurer. Cependant, assurez-vous de vérifier la composition de l'électrolyte et le poids de la batterie avant de faire un achat final. De cette façon, vous pourrez augmenter la capacité de la batterie et les performances globales au fil du temps.
