Chargement de batteries au lithium-ion – Battery University – Robot connecté pour tondre sa pelouse

Découvrez comment prolonger la durée de vie de la batterie en utilisant les méthodes de charge appropriées.

Charger et décharger des batteries est une réaction chimique, mais le Li-ion est considéré comme une exception. Les scientifiques de la batterie parlent des énergies entrant et sortant de la batterie dans le cadre du mouvement des ions entre l'anode et la cathode. Cette affirmation porte ses mérites, mais si les scientifiques avaient totalement raison, la batterie vivrait éternellement. Ils attribuent la perte de capacité de la capacité aux ions piégés, mais comme pour tous les systèmes de batterie, la corrosion interne et d'autres effets dégénératifs, également connus sous le nom de réactions parasites sur l'électrolyte et les électrodes, jouent un rôle important. (Voir BU-808b: Quelles sont les causes de la mort de Li-ion?)

Le chargeur à ions Li est un dispositif de limitation de tension qui présente des similitudes avec le système d’acide au plomb. Les différences avec Li-ion résident dans une tension plus élevée par cellule, des tolérances de tension plus strictes et l'absence de charge d'entretien ou de charge d'entretien à pleine charge. Alors que le plomb-acide offre une certaine flexibilité en termes de coupure de tension, les fabricants de cellules Li-ion sont très stricts sur le réglage correct, car le Li-ion ne peut accepter une surcharge. Le soi-disant chargeur miracle qui promet de prolonger la vie de la batterie et de gagner de la capacité supplémentaire avec des impulsions et d’autres gadgets n’existe pas. Le Li-ion est un système «propre» et ne prend que ce qu’il peut absorber.


Chargement de Li-ion mélangé au cobalt

Le Li-ion avec les matériaux cathodiques traditionnels tels que le cobalt, le nickel, le manganèse et l'aluminium se charge typiquement à 4,20 V / cellule. La tolérance est de +/– 50 mV / cellule. Certaines variétés à base de nickel chargent à 4.10V / cellule; Li-ion à haute capacité peut atteindre 4,30 V / cellule et plus. Augmenter la tension augmente la capacité, mais aller au-delà des spécifications contraint la batterie et compromet la sécurité. Les circuits de protection intégrés au pack ne permettent pas de dépasser la tension définie.

La figure 1 montre la signature de tension et de courant lorsque le lithium-ion traverse les étages pour un courant constant et une charge de tête. La pleine charge est atteinte lorsque le courant diminue entre 3 et 5% de la valeur nominale en Ah.

Étapes de charge du lithium-ion

Figure 1: Étages de charge du lithium-ion. Li-ion est complètement chargé lorsque le courant chute à un niveau défini. À la place de la charge d'entretien, certains chargeurs appliquent une charge de tête lorsque la tension chute.

Gracieuseté de Cadex


Le taux de charge conseillé d'une cellule d'énergie est compris entre 0,5 ° C et 1 ° C; le temps de charge complet est d'environ 2 à 3 heures. Les fabricants de ces cellules recommandent de charger à 0,8 ° C ou moins pour prolonger la durée de vie de la batterie; Cependant, la plupart des Power Cells peuvent supporter un taux de charge C plus élevé avec peu de stress. L'efficacité de la charge est d'environ 99% et la cellule reste froide pendant la charge.

Certains packs Li-ion peuvent connaître une élévation de température d'environ 5 ° C (9 ° F) lorsqu'ils atteignent leur pleine charge. Cela pourrait être dû au circuit de protection et / ou à la résistance interne élevée. Cesser d'utiliser la batterie ou le chargeur si la température augmente de plus de 10 ° C (18 ° F) à des vitesses de charge modérées.

La charge complète se produit lorsque la batterie atteint le seuil de tension et que le courant chute à 3% du courant nominal. Une batterie est également considérée comme complètement chargée si le courant baisse et ne peut plus baisser. Auto-décharge élevée pourrait être la cause de cette condition.

L'augmentation du courant de charge ne hâte pas beaucoup l'état de charge complète. Bien que la batterie atteigne le pic de tension plus rapidement, la charge de saturation prendra plus de temps en conséquence. Avec un courant plus élevé, l'étape 1 est plus courte mais la saturation pendant l'étape 2 sera plus longue. Cependant, une charge de courant élevée remplira rapidement la batterie à environ 70%.

Li-ion n'a pas besoin d'être complètement chargé comme c'est le cas avec l'acide au plomb, et il n'est pas souhaitable de le faire. En fait, il est préférable de ne pas charger complètement car une tension élevée sollicite la batterie. Choisir un seuil de tension inférieur ou éliminer complètement la charge de saturation prolonge la durée de vie de la batterie, mais réduit la durée de fonctionnement. Les chargeurs de produits de consommation ont une capacité maximale et ne peuvent pas être ajustés. la durée de vie prolongée est perçue moins importante.

Certains chargeurs grand public moins chers peuvent utiliser la méthode simplifiée «charge-and-run» qui charge une batterie au lithium-ion en une heure ou moins sans passer à la charge de saturation de niveau 2. «Prêt» apparaît lorsque la batterie atteint le seuil de tension à l'étape 1. L'état de charge (SoC) à ce stade est d'environ 85%, niveau qui peut être suffisant pour de nombreux utilisateurs.

Certains chargeurs industriels fixent le seuil de tension de charge à un niveau inférieur afin de prolonger la durée de vie de la batterie. Le tableau 2 illustre les capacités estimées lorsqu’il est chargé à différents seuils de tension avec et sans charge de saturation. (Voir aussi BU-808: Comment prolonger les batteries au lithium.)

Charge V / cellule

Capacité à
tension de coupure *

Temps de charge

Capacité à saturation totale

3,80

3,90

4,00

4.10

4,20

~ 40%

~ 60%

~ 70%

~ 80%

~ 85%

120 min

135 min

150 min

165 min

180 min

~ 65%

~ 75%

~ 80%

~ 90%

100%

Tableau 2: Caractéristiques de charge typiques du lithium-ion. Ajouter une saturation complète à la tension définie augmente la capacité d'environ 10%, mais ajoute des contraintes dues à la haute tension.

* Les lectures peuvent varier

Lorsque la batterie est mise en charge pour la première fois, la tension monte rapidement. Ce comportement peut être comparé à soulever un poids avec un élastique, ce qui provoque un décalage. La capacité finira par se rattraper lorsque la batterie sera presque complètement chargée (Figure 3). Cette caractéristique de charge est typique de toutes les batteries. Plus le courant de charge est élevé, plus l'effet élastique sera important. Les températures froides ou le chargement d'une cellule avec une résistance interne élevée amplifie l'effet.

Figure 3: Volts / capacité en fonction du temps lors du chargement de lithium-ion.
La capacité dépasse la tension de charge, comme si vous souleviez un poids lourd avec un élastique.

Gracieuseté de Cadex


L'estimation du SoC en lisant la tension d'une batterie en charge est peu pratique; La mesure de la tension à vide (OCV) après un repos de la batterie de quelques heures est un meilleur indicateur. Comme avec toutes les batteries, la température affecte l'OCV, tout comme le matériau actif du Li-ion. Le SoC des smartphones, ordinateurs portables et autres appareils est estimé par comptage de Coulomb. (Voir BU-903: Comment mesurer l'état de charge.)

Li-ion ne peut pas absorber la surcharge. Lorsqu'il est complètement chargé, le courant de charge doit être coupé. Une charge d'entretien continue entraînerait un placage de lithium métallique et compromettrait la sécurité. Pour minimiser les contraintes, maintenez la batterie lithium-ion à la pointe du pic le plus court possible.

Une fois la charge terminée, la tension de la batterie commence à chuter. Cela facilite la tension. Au fil du temps, la tension du circuit ouvert se stabilisera entre 3,70 V et 3,90 V / cellule. Notez qu'une batterie Li-ion ayant reçu une charge complètement saturée maintiendra la tension élevée pendant plus longtemps que celle qui n'a pas reçu de charge de saturation.

Lorsque les batteries lithium-ion doivent rester dans le chargeur pour être opérationnelles, certains chargeurs appliquent une charge de remplissage courte pour compenser la faible autodécharge que la batterie et son circuit de protection consomment. Le chargeur peut démarrer lorsque la tension du circuit ouvert chute à 4,05V / cellule et s'éteindre à 4,20V / cellule. Les chargeurs conçus pour la disponibilité opérationnelle, ou le mode veille, laissent souvent la tension de la batterie chuter à 4,00 V / cellule et se recharger à seulement 4,05 V / cellule au lieu de 4,20 V / cellule. Cela réduit le stress lié à la tension et prolonge la durée de vie de la batterie.

Certains appareils portables sont installés sur un socle de charge en position ON. Le courant consommé à travers le dispositif est appelé le charge parasitaire et peut fausser le cycle de charge. Les fabricants de batteries déconseillent les charges parasites lors de la charge car ils induisent des mini-cycles. Cela ne peut pas toujours être évité et un ordinateur portable connecté au secteur est un tel cas. La batterie peut être chargée à 4,20 V / cellule puis déchargée par l'appareil. Le niveau de contrainte sur la batterie est élevé car les cycles se produisent au seuil de haute tension, souvent également à une température élevée.

Un appareil portable doit être éteint pendant la charge. Cela permet à la batterie d’atteindre le seuil de tension et le point de saturation de courant définis sans entrave. Une charge parasite confond le chargeur en abaissant la tension de la batterie et en empêchant le courant dans l’étage de saturation de chuter suffisamment bas en attirant un courant de fuite. Une batterie peut être complètement chargée, mais les conditions qui prévalent inciteront une charge continue, provoquant un stress.

Li-ion de charge non mélangé au cobalt

Alors que le lithium-ion traditionnel a une tension nominale de cellule de 3,60V, le phosphate de Li (LiFePO) constitue une exception avec une tension nominale de cellule de 3,20V et une charge à 3,65V. Le titanate de lithium (LTO) est relativement nouveau, avec une tension nominale de 2,40V et une charge à 2,85V. (Voir BU-205: Types de Lithium-ion.)

Les chargeurs pour ces ions Li non mélangés au cobalt ne sont pas compatibles avec les ions Li standard à 3,60 volts. Des dispositions doivent être prises pour identifier les systèmes et fournir la charge de tension correcte. Une batterie au lithium de 3,60 volts dans un chargeur conçu pour le phosphate de Li ne serait pas suffisamment chargée; un Li-phosphate dans un chargeur ordinaire causerait une surcharge.

Surcharge Lithium-ion

Lithium-ion fonctionne en toute sécurité dans les tensions de fonctionnement spécifiées; Cependant, la batterie devient instable si elle est chargée par inadvertance à une tension supérieure à celle spécifiée. Une charge prolongée supérieure à 4,30 V sur un Li-ion conçu pour 4,20 V / cellule plaquera du lithium métallique sur l'anode. Le matériau de la cathode devient un agent oxydant, perd sa stabilité et produit du dioxyde de carbone (CO2). La pression de la cellule augmente et, si la charge continue, le dispositif d'interruption actuel (CID) responsable de la sécurité de la cellule se déconnecte à 1 000–1 380 kPa (145–200 psi). Si la pression augmente davantage, la membrane de sécurité de certains ions Li-ion s'ouvre à environ 3 450 kPa (500 psi) et la cellule peut éventuellement se vider de flammes. (Voir BU-304b: Rendre le lithium-ion sûr.)

La ventilation à la flamme est liée à la température élevée. Une batterie entièrement chargée a une température d’emballement thermique inférieure et se décharge rapidement plus tôt que celle qui est partiellement chargée. Toutes les batteries au lithium sont plus sûres avec une charge inférieure, et c’est la raison pour laquelle les autorités ordonneront l’envoi par voie aérienne de Li-ion à 30% d’état de charge plutôt qu’à pleine charge. (Voir BU-704a: Expédition de piles au lithium par voie aérienne.).

Le seuil pour le Li-cobalt à pleine charge est de 130–150ºC (266–302ºF); le nickel-manganèse-cobalt (NMC) est à 170–180ºC (338–356ºF) et le Li-manganèse à environ 250ºC (482ºF). Le Li-phosphate a des stabilités de température similaires et meilleures que le manganèse. (Voir également BU-304a: Problèmes de sécurité avec le Li-ion et BU-304b: Rendre le lithium-ion sûr.)

Lithium-ion n'est pas la seule batterie qui présente un risque pour la sécurité en cas de surcharge. Les piles à base de plomb et à base de nickel sont également connues pour fondre et provoquer un incendie si elles ne sont pas manipulées correctement. Un équipement de charge correctement conçu est primordial pour tous les systèmes de batterie et la détection de la température est un veilleur fiable.

Résumé

Le chargement des batteries lithium-ion est plus simple que les systèmes à base de nickel. Le circuit de charge est simple; Les limitations de tension et de courant sont plus faciles à gérer que l’analyse de signatures de tension complexes, qui changent avec l’âge de la batterie. Le processus de charge peut être intermittent et Li-ion n'a pas besoin de saturation comme c'est le cas avec l'acide au plomb. Ceci offre un avantage majeur pour le stockage d'énergie renouvelable, comme un panneau solaire et une éolienne, qui ne permet pas toujours de charger complètement la batterie. L'absence de charge d'entretien simplifie encore le chargeur. Le chargeur d'égalisation, comme requis avec l'acide plomb, n'est pas nécessaire avec Li-ion.

Les chargeurs Li-ion grand public et industriels chargent complètement la batterie. Ils ne proposent pas de tensions de fin de charge réglables qui prolongeraient la durée de vie de Li-ion en abaissant la tension de charge en fin de course et en autorisant une durée de fonctionnement plus courte. Les fabricants d’appareils craignent qu’une telle option ne complique le chargeur. Les véhicules électriques et les satellites qui évitent une charge complète pour atteindre une longue durée de vie sont des exceptions.

Directives simples pour charger les piles au lithium

  • Éteignez l'appareil ou déconnectez la charge en charge pour permettre au courant de chuter sans entrave pendant la saturation. Une charge parasite confond le chargeur.

  • Chargez à une température modérée. Ne chargez pas à la température de congélation. (Voir BU-410: Charge à haute et basse température)

  • Le lithium-ion n'a pas besoin d'être complètement chargé; une charge partielle est préférable.

  • Tous les chargeurs ne chargent pas complètement et il est possible que la batterie ne soit pas complètement chargée lorsque le message «Prêt» apparaît. une charge de 100% sur une jauge de carburant peut être un mensonge.

  • Cesser d'utiliser le chargeur et / ou la batterie si la batterie devient excessivement chaude.

  • Appliquez une charge sur une batterie vide avant de la stocker (un SoC de 40 à 50% est idéal). (Voir BU-702: Comment stocker les piles?)

Dernière mise à jour le 2018-04-24

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