Chargement et décharge d'une batterie lithium-ion - principe et caractéristiques

Caractéristiques du lithium

Avant d'aborder la charge et la décharge des batteries lithium-ion, il est nécessaire de comprendre la structure des batteries lithium-ion et les caractéristiques du lithium.

Les batteries lithium-ion se composent de trois éléments : une feuille de cuivre recouverte de graphite, une feuille d'aluminium recouverte de composés de lithium et un électrolyte contenant des sels organiques de lithium. La charge et la décharge d'une batterie lithium-ion est en fait le mouvement alternatif des ions lithium et des électrons libres.

Les métaux ont des potentiels électrochimiques différents. Le potentiel électrochimique est la tendance des métaux à perdre des électrons. Les potentiels électrochimiques de certains métaux courants sont illustrés dans la figure ci-dessous. Parmi eux, le lithium, qui est le plus susceptible de perdre des électrons, est utilisé dans les batteries lithium-ion.

Comme on peut le voir, le lithium a la plus forte propension à perdre des électrons, tandis que le fluor a la plus faible propension à perdre des électrons. Cela s'explique par le fait que la couche externe du lithium ne possède qu'un seul électron, qui est très facile à perdre, tandis que la couche externe du fluor possède 8 électrons, ce qui est très stable (la couche externe de l'atome ne peut posséder que 8 électrons au maximum, 1 est le plus actif, 8 est le plus stable).

Le lithium pur est un métal très réactif qui bout directement dans l'eau, mais les oxydes métalliques de lithium sont très stables. Si nous séparons un atome de lithium de cet oxyde métallique, l'atome de lithium est extrêmement instable et forme instantanément un ion de lithium et un électron, comme le montre la figure ci-dessous.

Toutefois, comme indiqué ci-dessus, le lithium, en tant que partie de l'oxyde métallique, est beaucoup plus stable dans l'oxyde métallique qu'à l'état libre de l'atome de lithium. Par conséquent, si deux voies différentes peuvent être fournies pour le flux d'électrons et d'ions lithium entre le lithium et l'oxyde métallique, les atomes de lithium iront automatiquement vers la partie oxyde métallique, et la voie des électrons est le circuit externe.

Ainsi, lorsque la force du champ électrique est utilisée pour soulever le lithium hors de l'oxyde métallique, et qu'elle fournit ensuite des chemins différents pour ses ions et ses électrons (retrait du champ électrique externe), le lithium retournera dans l'oxyde, comme le montre la figure ci-dessous.

Caractéristiques de la batterie au lithium-ion

La batterie au lithium-ion est l'une des batteries à la densité énergétique la plus élevée. Elle délivre une tension et un courant plus élevés par cellule sans qu'il soit nécessaire d'effectuer une charge de maintien lorsque la batterie est entièrement chargée.

Mais une batterie lithium-ion n'a pas d'effet mémoire, ce qui signifie qu'elle ne se "souvient" pas de la quantité d'énergie qu'il lui reste jusqu'à ce qu'elle soit complètement vidée. Une batterie lithium-ion doit donc être chargée à l'aide d'un profil de charge spécial à courant constant et tension constante (CC-CV), et la courbe de charge peut être ajustée automatiquement en fonction de la température de la batterie et de son niveau de tension.

Principe de charge et de décharge de la batterie lithium-ion

Les batteries lithium-ion contiennent de l'électrolyte et du graphite, dont la structure en couches permet de stocker facilement les ions lithium séparés. L'électrolyte entre le graphite et l'oxyde métallique agit comme une protection, ne laissant passer que les ions lithium, mais pas les électrons.

Lorsqu'une source d'énergie externe (champ électrique) est appliquée, en raison de l'attraction des opposés, la cathode de la source d'énergie attire les électrons des atomes de lithium de l'oxyde métallique et pousse ces électrons à circuler le long du circuit externe et à atteindre la couche de graphite, alors que ces électrons ne peuvent pas circuler dans l'électrolyte.

Dans le même temps, les ions lithium chargés positivement sont également attirés par l'anode et traversent l'électrolyte pour atteindre la couche de graphite. La couche de graphite contient alors une grande quantité d'ions et d'électrons de lithium. Parmi eux, ces ions et électrons sont des atomes de lithium, mais comme les atomes de lithium sont instables, ils existent sous la forme d'ions et d'électrons de lithium.

Lorsque tous les atomes de lithium de l'oxyde métallique atteignent la couche de graphite, la batterie est entièrement chargée. À ce moment-là, l'état instable de l'atome de lithium est comme une petite boule au sommet de la montagne. Une fois la source d'énergie retirée et la charge connectée, l'atome de lithium retournera à un état stable en tant que partie de l'oxyde métallique.

En raison de cette tendance à la stabilisation, les électrons sont ramenés vers l'oxyde, et les ions lithium voyagent à travers l'électrolyte jusqu'à l'oxyde, comme une balle qui descend une colline, et finalement les ions lithium et les électrons se combinent pour former des atomes de lithium fixés dans l'oxyde métallique.

Tout au long du processus, le graphite ne joue aucun rôle dans la chimie des batteries lithium-ion, il n'est qu'un support de stockage pour les ions lithium. Si la température interne de la batterie augmente en raison d'une situation anormale et que l'électrolyte s'assèche, les ions lithium et les électrons se dirigent tous vers l'oxyde en suivant le même chemin, ce qui provoque un court-circuit entre l'anode et la cathode et peut entraîner un incendie ou une explosion.

Pour éviter cela, une couche isolante appelée séparateur est placée entre les électrodes. Grâce à ses micropores, le séparateur est perméable aux ions lithium mais pas aux électrons.

Dans la pile au lithium actuelle, le graphite et l'oxyde métallique sont recouverts respectivement d'une feuille de cuivre et d'une feuille d'aluminium. La feuille agit comme un collecteur de courant et les plaques positives et négatives peuvent être facilement retirées du collecteur, comme le montre la figure ci-dessous. La feuille de cuivre mène à l'anode et la feuille d'aluminium à la cathode.

Un sel organique de lithium est utilisé comme électrolyte et est enduit sur les feuilles séparatrices, qui sont toutes enroulées sur un cylindre autour d'un noyau central en acier, ce qui rend les piles au lithium plus compactes. Une batterie lithium-ion standard a une tension comprise entre 3 et 4,2 volts.

La charge et la décharge d'une batterie lithium-ion est en fait le processus de mouvement alternatif des ions lithium et des électrons. Lors de la charge, l'alimentation de la batterie permet aux ions lithium et aux électrons d'atteindre la couche de graphite en empruntant des chemins différents.

À ce moment-là, les atomes de lithium sont très instables. La décharge consiste à appliquer une charge à la batterie, ce qui permet aux ions lithium et aux électrons de se diriger vers le côté de l'oxyde métallique en suivant le chemin précédent. À ce moment-là, les atomes de lithium sont relativement stables en tant que partie de l'oxyde métallique.

Étapes de la charge d'une batterie au lithium-ion

Étape 1. Charge d'appoint

Si la tension de la batterie est inférieure à VBATT_TC (seuil de tension de précharge de maintien) (2V/élément), le circuit intégré charge la batterie avec un courant de maintien de 100mA (réglable). L'étape de charge de maintien n'est généralement utilisée que lorsque la tension de la batterie est inférieure à un niveau très bas (environ 2,1 V). Dans cet état, le circuit intégré de protection interne de la batterie peut avoir déconnecté la batterie en raison d'une décharge profonde ou d'une surintensité.

Le chargeur de batterie Le circuit intégré de charge fournit un petit courant (typiquement 50mA) pour charger les condensateurs de la batterie et déclencher le circuit intégré de protection, qui active son MOSFET pour reconnecter la batterie. Bien que la charge de maintien ne dure généralement que quelques secondes, le circuit intégré de charge doit encore intégrer une minuterie. Si la batterie n'est pas reconnectée au bout d'un certain temps, ce qui indique qu'elle est endommagée, la minuterie arrête la charge.

Étape 2. Pré-charge

Une fois que la batterie est reconnectée ou déchargée, elle entre dans la phase de précharge. Pendant la précharge, le circuit intégré du chargeur commence à charger en toute sécurité la batterie épuisée à un niveau de courant inférieur, généralement C/10 (C est la capacité en mAh). La précharge augmente lentement la tension de la batterie, l'objectif étant de charger la batterie en toute sécurité à un faible niveau de courant pour éviter de l'endommager jusqu'à ce que sa tension atteigne un niveau plus élevé.

Étape 3. CC (charge à courant constant)

La charge à courant constant est également connue sous le nom de phase de charge rapide. La charge à courant constant commence après la précharge et démarre lorsque la tension de la batterie atteint environ 3 V par élément (réglable). Pendant la phase de charge à courant constant, la batterie peut délivrer en toute sécurité un courant de charge plus élevé, compris entre 0,5C et 3C. La charge à courant constant se poursuit jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne un niveau de tension "plein" ou de flottaison, et passe alors à la phase de charge à tension constante.

Étape 4. CV (charge à tension constante)

Le seuil de tension constante (CV) pour les batteries au lithium est généralement compris entre 4,1 et 4,5 V par élément. Le circuit intégré de charge surveille la tension de la batterie pendant la charge à courant constant. Lorsque la batterie atteint le seuil de charge à tension constante, le circuit intégré de charge passe d'une régulation à courant constant à une régulation à tension constante.

Lorsque le circuit intégré du chargeur détecte que la tension de la batterie externe dépasse la tension réelle de la batterie, il commence à effectuer une charge à tension constante.

Cela est dû à la présence de la résistance interne de la batterie, de la résistance du circuit imprimé et de la résistance série équivalente (ESR) des MOSFET et des cellules de la carte de protection PCM. Le circuit intégré de charge ne permet pas à la tension de la batterie de dépasser sa tension de flottaison maximale afin d'assurer un fonctionnement sûr du système de charge.

Étape 5. Arrêt du chargement

Au cours de la phase de charge à tension constante, lorsque le courant circulant dans la batterie tombe en dessous du seuil fixé (environ C/10), le circuit intégré du chargeur met fin au cycle de charge. À ce stade, la batterie est considérée comme entièrement chargée et la charge est terminée. Si la fonction de coupure de charge du circuit intégré du chargeur est désactivée, le courant de charge diminuera naturellement jusqu'à 0 mA, mais cela est rarement le cas dans la pratique.

Étant donné que la quantité de charge entrant dans la batterie diminue de manière exponentielle lors d'une charge à tension constante (la tension de la batterie augmente comme un gros condensateur), il faut beaucoup de temps pour charger la batterie avec une très faible augmentation de la capacité.

Taux C de la batterie lithium-ion

C est l'abréviation de capacité, et le "taux C" de la batterie spécifie le courant maximum pour la charge et la décharge de la batterie lithium-ion. Les taux C standard se situent généralement entre 0,5C et 3C, en fonction de la cellule spécifique utilisée, et il y a souvent un compromis entre des taux C plus élevés et des densités d'énergie plus faibles.

Par exemple, pour une batterie de 3 000 mAh, le taux C est de 1C, ce qui signifie que la batterie peut être chargée avec un courant maximum de 3A. Généralement, les fabricants de batteries spécifient également différentes plages de tension et de température pour le taux C, le taux C étant réduit à des tensions plus faibles ou à des températures plus élevées ou plus basses.

Si une batterie a un taux C plus élevé, nous l'appelons une batterie à taux élevé, et elle peut libérer plus de courant et se charger plus rapidement. Par exemple, les batteries à taux C élevé sont plus utiles pour les appareils portables tels que les smartphones et les ordinateurs portables que pour les haut-parleurs sans fil, car ces appareils portables peuvent avoir besoin d'être rechargés au moins une fois par jour.

En général, la charge rapide est le premier choix pour les appareils qui fonctionnent pendant une courte période et qui doivent être utilisés en continu. Connaître le taux de charge d'une batterie peut aider à société de batteries lithium-ion déterminer le courant de charge et optimiser leur solution de profil de charge, et choisir la meilleure topologie de circuit intégré de chargeur et les caractéristiques de sécurité pour la batterie.