Les batteries Li-Ion et Li-PO

Les batteries de type "Lithium" ont une capacité poids/puissance beaucoup plus intéressante comparée aux batteries de type NiCd (Cadmium Nickel) et NiMH (Nickel & métaux hybrides). Pour la même capacité, elles pèsent le tiers du poids d’un pack traditionnel.

 Présentation des batteries Li-Ion & Li-Po

Ces deux types d’accus correspondent à des chimies à base de Lithium, dans le premier cas utilisé avec des ions Li+ dans un électrolyte liquide (ce qui nécessite une enveloppe solide), dans le second cas dans un polymère solide (ce qui permet une enveloppe souple très caractéristique).

Attention, ces batteries sont pratiques car de petite taille, mais il faut en prendre un soin particulier car les conséquences d’une mauvaise utilisation peuvent être catastrophiques. En particulier les LiPO dont l’enveloppe souple peut être percée.

Certaines batteries utilisent aussi le Lithium dans leur électrolyte mais on les différencie soit par une innovation (nanoparticules) comme les Lithium Fer Phosphate / A123, soit en précisant le métal utilisé pour l’électrode positive (anode) : Lithium Manganèse ou Lithium Cobalt. Ces technologies sont présentées dans cet autre article : Les batteries LiFePO4 ou A123

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Avantages

Elles sont légères et offrent dans un volume faible une capacité importante. Elles ont un taux d’autodécharge de 10% par mois seulement, ce qui permet d’avoir des batteries chargées toujours prêtes à l’emploi (comme les batteries au plomb), contrairement aux piles rechargeables classiques (technologie NiMH).

Inconvénients

• Elles ont une limite dans le taux de décharge et de charge :
  • Pour la décharge c’est un maximum de 15 fois (pour les meilleures)
  • La capacité de la batterie et le taux de charge est de 1 pour 1, donc ça prend 1 heure pour la charger (en fait compter le double, voir le triple).
• Elles sont fragiles, aussi bien mécaniquement qu’électriquement.
• Elles sont chères !!!

Disponibilité

Ces batteries sont désormais disponibles facilement, que ce soit en éléments à l’unité pour composer ses propres packs ou sous forme de packs assemblés, avec des connecteurs standards.

 Précisions techniques et courbes caractéristiques

Ce sont généralement des éléments de 4,2 volts au lieu des traditionnels éléments de 1,2 volts.

Caractéristique chargement / déchargement

En début de charge et durant toute la première phase de la charge, le courant est limité et la tension augmente petit à petit jusqu’à atteindre la tension régulée.

A partir de là on atteint la deuxième phase dite de remplissage la tension reste parfaitement stable et alors le courant diminue.

La charge est terminée lorsque le courant passe en dessous du seuil de 0,03C. Il est alors impératif de couper la charge, car les accus au Lithium ne supportent absolument pas la surcharge.

Courbe de capacité en fonction de la décharge

Courbe de capacité en fonction de la température extérieure

Évolution de la capacité en fonction du nombre de cycle de charge/décharge

Évolution du temps de charge en fonction du taux de charge (Ampérage)

Capacité restituée en fonction du taux de charge

Les règles de sécurité énoncées ci-dessous peuvent paraitre contraignantes, en fait elles sont valable pour tout type de batteries.

Les batteries au NiCd sont peut être plus résistante aux mauvais traitements, mais elles n’en souffrent pas moins et leurs performances diminuent très vite. De nombreux accidents ont eu lieu avec ce type de batterie (NiCd), un modéliste a eu une main arrachée ! En effet sous certaines conditions, elles explosent comme des grenades ! Tandis que les lipos brulent (ce qui est déjà suffisamment dangereux) !

 Quelques règles pour la charge

• Avant toute recharge ou utilisation vérifier le voltage [1] aux bornes du pack !!

• Une fois la charge terminée ne jamais remettre en charge le pack pour les « gonfler à bloc » car dès les premiers instants le chargeur va envoyer un courant fort, ce qui risque de provoquer une surchauffe menant tous droit à une combustion.

• Seuls les chargeurs spécifiquement étudiés pour la charge des batteries Lithium Polymère doivent être utilisés pour recharger ces types d’éléments.

• Utiliser des connecteurs fiables pour éviter de mettre les éléments un court circuit sur une simple étourderie (les prises femelles sont recommandées pour les packs, les prises mâles pour les chargeurs).

• Faire attention avec les chargeurs utilisant des fiches bananes. Toujours déconnecter les packs des cordons avant de faire une quelconque manipulation des fiches bananes connectées dans le chargeur. Il est vraiment très facile de provoquer un court circuit avec ces fiches qui sont mâles toutes les deux (la rouge et la noire).

• Pour les meilleurs résultats il faut utiliser des chargeurs du type CC/CV (constant current / constant voltage). Ces chargeurs chargent à1C et 4.2v et diminuent le taux de charge vers la fin.

Les éléments sont chargés à 90% en une heure et peuvent rester encore connectés de 40 a 50 minutes pour arriver à une charge vraiment complète. Le voltage de charge maximum autorisé par élément est de 4.25v. L’intensité maximale de charge est de 1C (ex : 700ma pour un élément 700 ma)

• Ne jamais charger les Li-po à plus de 1C. Cela réduirait la durée de vie des éléments et apporte un gain de temps vraiment négligeable. Préférer les charges lentes.

 Précautions d’usage

Beaucoup d’objets que nous utilisons dans la vie courante, auto, couteaux, etc... peuvent provoquer de sérieux dommages matériels et corporels s’il ne sont pas utilisés en respectant quelques règles élémentaires. Il en est de même pour les batteries Li-po qui peuvent s’avérer dangereuses si elles ne sont pas utilisées et manipulées correctement.

Des systèmes de sécurité (circuits de contrôle) commencent à apparaitre. Ces systèmes sont intégrés au pack d’accus et préviennent la plupart des risques d’accident. Préférez ces types de packs.

Soyez absolument certain que votre chargeur Li-po est correctement configuré pour la batterie que vous allez charger.

Le voltage et l’intensité doivent être tous les deux corrects. Deux vérifications valent mieux qu’une. Une surcharge importante, c’est à coup sûr une destruction du pack et un risque de combustion. Vous devez charger vos batteries sur une surface à l’épreuve du feu, l’idéal serait une boîte en céramique ouverte vers le haut. Certains utilisent des jardinières rectangulaires en terre cuite, d’autres préfèrent leur cheminée. Pas de boîte en métal par pitié.

Ne pas charger à proximité de matières inflammables, liquides ou solides, meubles en bois etc...

Les éléments neufs ont une charge initiale élevée. Il faut toujours prendre soin que jamais des éléments puissent entrer en court circuit :

• Stocker les éléments dans un endroit frais et sec
• Ne pas mettre des éléments dans la poche (contact avec le trousseau de clefs par ex...), un sac ou ils pourraient entrer en court circuit avec d’autres objets
• Ne pas stocker les éléments ’en vrac’
• Ne pas placer les éléments sur des surfaces conductrices de courant : boite en métal, table métal etc...

• Ne pas exposer les éléments à la chaleur (plage arrière de la voiture en plein soleil par exemple) Ne pas laisser les éléments ou pack à porté des enfants Faire attention à ce que les packs ne soient par perforés par des objets métalliques (stockage dans la boite à outil).

Un pack abimé suite à un choc (crash) est potentiellement dangereux et peut prendre feu suite à un court circuit interne.

Un pack abimé peu mettre plus de 10 minutes à prendre feu. Un pack en court-circuit - même très peu de temps - doit être mis sous surveillance car il peut mettre plus de 10 minutes à prendre feu après l’incident.

Si de l’électrolyte des éléments se retrouve en contact avec votre peau, lavez abondamment avec du savon et de l’eau. Pour un contact avec les yeux, rincer abondamment à l’eau froide et voir un médecin immédiatement. Le batteries doivent être complètement déchargées avant d’être jetées. Une batterie non déchargée peu encore prendre feu après avoir été jetée. n’utiliser que des batteries conçues pour l’utilisation que vous en faites.

La charge se fait à tension constante et courant limité. La particularité de la charge des accus au Lithium tient à deux choses primordiales.

• Ils ne supportent pas la surcharge aussi faible soit elle et encore moins un léger court circuit.

• Il faut respecter le niveau de la tension de charge sinon ça ne charge pas.

Ceci fait que la fourchette entre la tension minimale de charge et la limite à ne pas dépasser sous peine de surcharge est très faible. Il faut donc que la tension de charge soit régulée très précisément. Les deux technologies Li-ion et Li-po ont deux niveaux de tension de charges proches mais parfaitement différents : Li-ion : Tension de charge 4,1 Volts par élément. Li-po : Tension de charge 4,2 Volts par élément.

La tolérance aujourd’hui admise est de +/- 0,05V par élément. Le courant de charge doit être limité entre C/2 et 1C. Dans ces conditions respectées, la charge dure entre 2 et 3 heures.

Certains chargeurs réputés charger les accus au Lithium en 1 heure, en fait ne chargent ceux-ci que partiellement. On n’atteint en 1 heure environ seulement 75% de la capacité de l’accu, quelque soit le courant, et il faut encore du temps pour atteindre la charge totale.

Si on surcharge un accu au Lithium il produit de l’hydrogène. Il y a donc une surpression et un échauffement qui peuvent aller jusqu’à l’explosion de l’élément. Les Li-ion sont généralement protégés contre les hausses de températures, et les surpressions par des circuits de protection interne. Par contre les packs souples Li-po eux sont sensibles, et même si ils n’explosent pas fort, ils s’enflamment très fortement ce qui peut causer de graves brulures.

Si vous détectez une élévation de la température, c’est anormal : Arrêtez tout.

 Derniers conseils de charge

1. Il ne sert à rien de chercher à augmenter le courant pour diminuer le temps de charge, car si cela permet d’atteindre plus vite le moment du passage de la première à la deuxième étape, la phase de remplissage elle durera plus longtemps. De plus l’augmentation du courant de charge influerait directement sur la durée de vie de l’accu. Il est donc préférable de se contenter d’une charge à C/2.
2. Il ne faut pas appliquer de charge lente ou courant d’entretien aux accus Li-ion ou Li-po, ça créé un placage de Lithium métallique sur les électrodes qui rendrait l’élément instable. Pour compenser la faible auto décharge il est préconisé de remettre en charge l’accu pendant un bref instant toutes les 500 heures. Cette recharge sera elle aussi stoppée par le passage du courant sous le seuil de 0,03C.
3. Il y a un risque à charger des Li-po en série, en effet ces éléments ne sont généralement pas équipés de composants de protection comme les Li-ion. Ceci implique qu’il peut y avoir une disparité de tension entre les éléments car vous ne pouvez faire la régulation de tension que sur l’ensemble du pack. Il est donc possible d’avoir des éléments à 4,1V et d’autre à 4,3V tout en ayant bien la moyenne des tensions à 4,2V. Il faut donc surveiller la tension de chacun des éléments

Comme pour les autres technologies les accus au Lithium ont une tension minimum de décharge en dessous de laquelle il ne faut surtout pas les décharger sous peine de destruction des éléments. La tension basse de destruction est de 2,5 Volts, mais en utilisation il ne faut pas descendre en dessous de 3 Volts. De toute façon entre les deux cela va très vite la courbe de tension en décharge chute très très vite. L’autodécharge des accus au Lithium est d’environ 10% par mois.

Les accus au Lithium sont aujourd’hui capables de débiter de forts courants. Leur résistance interne s’approche maintenant de celle des accus Ni-Cd ou Ni-MH. Résistance interne du Li-ion : environ 150 à 250 milliOhms Résistance interne du Li-po : environ 200 à 300 milliOhms Cela permet à cette technologie de débiter des courants à un taux de 1C pouvant aller à plus de 2C. Certains modèles spéciaux Li-po sont aujourd’hui capables de débiter des courants de 10C pouvant aller à 15C en pointe.

Attention ne jamais mettre en court-circuit un accumulateur au Lithium.