Cellules et chimies des batteries lithium-ion : le guide ultime

Quand on parle de la base des batteries, le seul nom qui vient à l'esprit n'est autre qu'une cellule lithium-ion. De l'utilisation dans des applications pratiques à l'utilisation dans des applications spécifiques, cellules de batterie lithium-ion sont toujours restés la priorité.

Bien qu'il existe également d'autres options de batterie efficaces, les piles au lithium sont considérées comme les plus performantes du marché. Que vous ayez à fournir de l'énergie ou à l'utiliser dans des véhicules électriques, les cellules de batterie au lithium-ion ont brillamment performé dans tous les domaines.

Cependant, une pile au lithium n'est pas une batterie autonome. Différentes autres connexions et assemblages se connectent et forment une batterie au lithium. Quelles sont ces chimies? Jetons un coup d'œil en profondeur ci-dessous.

Formats de cellules lithium-ion

La batterie au lithium, souvent connue sous le nom d'assemblage de différents composants, contient des cellules individuelles. Ces cellules se rejoignent en série ou en parallèle. De plus, les performances globales des piles au lithium dépendent également de ces assemblages de piles individuelles.

Par conséquent, les batteries au lithium sont disponibles en types de batteries primaires et secondaires qui déterminent leurs performances et leur efficacité. Non seulement cela, mais la taille, le matériau, le poids, la puissance et la tension de la cellule sont également mesurés dans ces cellules de batterie individuelles. Voyons en détail les formats des cellules lithium-ion.

Types de cellules de batterie au lithium-ion

Cellules au lithium cylindriques

Avec une puissance et une capacité de tension différentes, piles au lithium cylindriques sont arrivés sur le marché. Ils ressemblent aux cellules de batterie traditionnelles et constituent le format le plus courant d'une batterie. La longueur et la largeur varient en fonction de la taille de la batterie.

Par exemple, une batterie au lithium plus petite utilisera des cellules cylindriques contenant une capacité de tension et une puissance plus petites. Ainsi, ils sont le plus largement utilisés dans les drones, les outils électriques, les équipements médicaux et les jouets pour enfants.

Cellules au lithium cylindriques

Cellules de poche au lithium

Étant enfermées dans un film d'aluminium, les cellules au lithium polymère sont des cellules plus légères et plus économiques que les autres. Ils sont disponibles en différentes formes et tailles et sont un type de cellule de batterie cylindrique ou prismatique.

De plus, la capacité de puissance et la densité de ces cellules sont comparativement plus élevées que les autres. Ainsi, ils se placent facilement dans un boîtier de pile et contiennent deux extrémités terminales pour une meilleure fixation.

Cellules de poche au lithium

Cellules au lithium prismatiques

Vous avez peut-être remarqué que la plupart des cellules de batterie au lithium sont carrées. C'est à cause de la cellule de batterie prismatique. Leur grande capacité de stockage et leur forme rectangulaire en font des cellules au lithium supérieures sur le marché.

En termes de dimensions, cellules prismatiques au lithium sont plus grandes que cylindriques et donc la plupart des dispositifs de stockage d'énergie utilisent ces cellules pour un meilleur fonctionnement. Les batteries comme les ordinateurs portables et autres petits appareils électroniques utilisent des cellules prismatiques au lithium dans leur fonctionnement.

Cellules de poche au lithium

Comparaison

Bien que toutes les cellules prismatiques, cylindriques et en poche fassent partie intégrante d'une cellule de batterie au lithium, elles ont également leurs fonctionnalités. La densité d'énergie, la taille, le coût et l'efficacité de chaque cellule diffèrent à leur manière.

Outre certains facteurs communs, ces cellules présentent certaines différences. Voici un tableau qui montre les principales différences entre eux.

Fonctionnalités Cellules cylindriques Cellules prismatiques Cellules de poche
Densité d'énergie Optimale Améliorée Moyenne
Taille Optimale Moyenne Mauvais
Coût Optimale Moyenne Moyenne
Profil Mauvais Améliorée Optimale
Poids Mauvais Améliorée Optimale
Efficacité Moyenne Optimale Améliorée
Gonflement Optimale Améliorée Mauvais

Types de chimie des cellules lithium-ion

Sur la base de l'énergie, de la puissance, de la capacité de tension et des performances globales, les cellules de batterie lithium-ion sont en outre composées de différents types de chimie. Quatre d'entre eux sont décrits en détail ci-dessous.

Oxyde de lithium et de cobalt (LCO)

Un des populaires types de piles au lithium est l'oxyde de lithium-cobalt. Comme son nom l'indique, il utilise de l'oxyde de cobalt comme cathode et du carbone graphite comme anode. L'oxyde de cobalt et de lithium possède l'énergie et la puissance spécifique les plus élevées par rapport aux autres types de chimie du lithium.

En raison de la durée de vie plus longue de l'oxyde de lithium-cobalt, ils sont le premier choix à utiliser dans les appareils numériques, y compris les appareils photo et les téléphones portables. Bien que sa stabilité thermique et sa capacité de charge soient inférieures, le placage au lithium en fait une batterie ultra rapide et optimisée.

Oxyde d'aluminium lithium-nickel-cobalt (NCA)

Avec une capacité énergétique spécifique de 200Wh/kg, l'oxyde d'aluminium lithium nickel cobalt est l'un des types de cellules de batterie au lithium les plus fins. Ils sont les plus utilisés dans les groupes motopropulseurs et ont une densité d'énergie spécifique très élevée. La composition implique un groupe d'oxydes métalliques qui sert de matière active dans les cellules de la batterie.

De plus, le NCA ou oxyde d'aluminium au lithium nickel cobalt est constitué d'un matériau de cathode qui contribue à améliorer les performances de la batterie. Outre des avantages incroyables, il présente également un inconvénient sous la forme d'une courte durée de vie. Voici un aperçu qui montre les différentes fonctionnalités de NCA.

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Oxyde de lithium-nickel manganèse-cobalt (NMC)

Étant d'abord issu d'une structure vertébrale tridimensionnelle, l'oxyde de cobalt lithium nickel manganèse (NMC) est un autre excellent type de pile au lithium. La structure vertébrale offre non seulement des avantages structurels, mais aide également à améliorer le flux des électrodes.

En ce qui concerne les caractéristiques de l'oxyde de cobalt lithium nickel manganèse (NMC), ils possèdent une énergie spécifique élevée avec une faible vitesse de chauffage. La composition comprend 33 % de nickel, 33 % de manganèse et 33 % de cobalt, ce qui en fait un excellent mélange 1:1:1. En raison de leur matériau de cathode efficace, ils sont largement utilisés dans les applications suivantes :

● Vélos électriques
● Groupes motopropulseurs électriques
● Tesla et autres dernières voitures
● équipement médical

Phosphate de fer au lithium (LFP)

Phosphate de fer au lithium ou Batteries LFP sont surtout connus pour leur composition de matériau de cathode rentable. Avec une électrode de carbone graphite dans leur composition, les cellules LFP peuvent facilement se charger ou se décharger à des vitesses élevées. La meilleure chose à propos de ces cellules de batterie au lithium est qu'elles ont une durée de vie plus longue et prennent très moins de temps à charger.

Le lithium fer phosphate est souvent utilisé pour remplacer les batteries au plomb sur le marché. Cela est dû à sa durée de vie prolongée et à son système de charge très durable. Vous trouverez ci-dessous quelques avantages majeurs du LFP :

● A une durée de vie beaucoup plus longue que les autres batteries
● Nécessite un très faible entretien
● Livré avec une excellente capacité de charge et de décharge
● Peut facilement fonctionner à basse température
● Stable, résistant et sûr à utiliser

Voici un tableau récapitulatif qui présente les principales caractéristiques des batteries lithium fer phosphate ou LFP.

Voltages 3.20, 3.30 V nominal ; plage de fonctionnement typique 2.5–3.65 V/cellule
Énergie spécifique (capacité) 90–120Wh/kg
Frais (taux C) charges typiques 1C à 3.65 V ; 3h de temps de charge typique
Décharge (taux C) 1C, 25C sur certaines cellules ; Impulsion 40A (2s); Coupure 2.50V (inférieur à 2V cause des dommages)
Cycle de vie 2000 et plus (lié à la profondeur de décharge et à la température)
Emballement thermique 270°C (518°F) Batterie très sûre même complètement chargée
Coût ~ 580 $ par kWh

Comparaison

À ce stade, vous avez parfaitement compris en détail les principaux aspects de chaque type de chimie du lithium. Cependant, la façon dont ces cellules de batterie diffèrent les unes des autres n'est toujours pas claire. Alors, comparons les quatre types de piles au lithium et voyons leurs principales différences.

Différence de tension

La première et la plus importante différence réside dans la tension de ces cellules de batterie. Qu'il s'agisse d'un oxyde de lithium-cobalt ou d'un oxyde de lithium-manganèse, les deux ont leur capacité de tension et leur efficacité énergétique. Par exemple, la tension de l'oxyde de lithium-cobalt est de 3.60 V nominal avec une plage de fonctionnement typique de 3.0 à 4.2 V/élément.

D'autre part, l'oxyde de lithium et de manganèse a une tension nominale de 3.70 V (3.80 V) avec une plage de fonctionnement typique de 3.0 à 4.2 V/cellule. De même, les deux autres types, l'oxyde de lithium manganèse cobalt a une tension nominale de 3.70 et le phosphate de fer lithium a une tension nominale de 3.30. Il montre clairement la différence de tension entre les quatre types de chimie, indiquant que LFP a la capacité de tension la plus élevée.

Capacité énergétique spécifique

La quantité d'énergie qu'une batterie contient en réponse à son poids est la capacité énergétique spécifique de cette batterie. Tout comme les différences de tension, tous les types de batteries diffèrent par leur capacité énergétique spécifique à une certaine plage. Les batteries LFP ont une capacité énergétique de 90 à 120 Wh/kg.

Alors que l'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt a une capacité énergétique de 150 à 220 Wh/kg. L'oxyde de lithium et de manganèse et l'oxyde de lithium et de cobalt présentent une énergie spécifique de 100 à 150 Wh/kg et de 150 à 200 Wh/kg respectivement. Parmi toutes, les cellules spécialisées en oxyde de lithium-cobalt fournissent jusqu'à 240 Wh/kg d'énergie spécifique à la cellule.

Taux de charge et de décharge

La capacité d'une batterie à fonctionner dépend de sa vitesse de charge et de décharge. Par conséquent, toutes les cellules de batterie ont leurs taux de charge et de décharge spécifiques. Le taux de charge de l'oxyde de lithium-cobalt est de 0.7 à 1C. Cela signifie qu'il se charge à 4.20 V (la plupart des cellules) avec une charge typique de 3 heures.

De même, le taux de décharge de l'oxyde de lithium-cobalt est de 1C avec une coupure de 2.50V. Les taux de charge et de décharge des trois autres piles au lithium sont indiqués comme suit :

● Oxyde de lithium nickel cobalt manganèse (NMC)

Frais (taux C) 0.7–1C, charge à 4.20V, certains vont à 4.30V ; 3h de charge typique. Un courant de charge supérieur à 1C raccourcit la durée de vie de la batterie.
Décharge (taux C) 1C; 2C possible sur certaines cellules ; coupure 2.50V

● Oxyde d'aluminium lithium-nickel-cobalt (NCA)

Frais (taux C) 0.7 à 1 C typique, 3 C maximum, charge à 4.20 V (la plupart des cellules)
Décharge (taux C) 1C; 10C possible avec certaines cellules, impulsion 30C (5s), coupure 2.50V

Phosphate de fer au lithium (LFP)

Frais (taux C) charges typiques 1C à 3.65 V ; 3h de temps de charge typique
Décharge (taux C) 1C, 25C sur certaines cellules ; Impulsion 40A (2s); Coupure 2.50V (inférieur à 2V cause des dommages)

Cycle de la vie

Le plus important de tous est la durée de vie des types de piles au lithium. En raison de la haute performance et du matériau de cathode solide, les batteries lithium fer phosphate ou LFP ont la durée de vie la plus élevée de toutes les autres batteries sur le marché. L'énergie spécifique, la stabilité thermique et la tension des batteries LFP les rendent uniques par rapport aux autres.

Stabilité thermique

Un autre facteur important qui différencie les cellules de batterie au lithium est leur stabilité thermique ou emballement thermique. Alors que l'oxyde de lithium-cobalt a une énergie spécifique élevée, l'emballement thermique est de 150°C (302°F). Cela signifie que l'oxyde de cobalt et de lithium peut faire face à des états de chauffage incontrôlables et d'urgence.

Tout comme l'oxyde de cobalt, l'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt a une stabilité thermique typique de 250°C (482°F). De plus, le NMC et le phosphate de fer au lithium (LFP) ont une stabilité thermique de 210°C (410°F) et 270°C (518°F) respectivement. Ainsi, chaque type a sa capacité à gérer les états de surchauffe ou de température dans différentes situations.

Meilleur fabricant et fournisseur de cellules lithium-ion en Chine

Maintenant, vous êtes bien conscient du fait que cellules de batterie au lithium sont de loin les batteries les plus courantes et les plus efficaces à utiliser dans tous les domaines. Par conséquent, vous ne pouvez pas remplacer ces piles par une autre option disponible. Cependant, vous vous demandez peut-être comment trouver les meilleurs fabricants de cellules lithium-ion, surtout si vous habitez en Chine.

Parmi de nombreux fournisseurs de batteries, il est difficile de choisir le meilleur du marché. En effet, plusieurs fabricants de batteries vendent à grande échelle des batteries défectueuses ou non fonctionnelles. Pour éviter une telle situation, vous devez être très prudent et contacter les meilleurs fournisseurs.

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Conclusion

Avec tous les détails et les spécifications de la batterie en main, vous pouvez désormais facilement choisir votre prochaine cellule de batterie au lithium pour votre région. Toutes les piles au lithium sont hautement fonctionnelles et vous ne pouvez pas ignorer leur utilisation dans vos besoins quotidiens. Pensez à vérifier l'entretien, l'énergie spécifique et la durée de vie avant d'acheter la batterie de votre choix.

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