Batterie lithium, LFP et NMC

Les anciens : nickel-cadmium et nickel-hydrure

Avant le lithium, les appareils portables fonctionnaient au NiCd (nickel-cadmium), puis au NiMH (nickel-hydrure métallique), avec 1,2 V par élément.

Le NiCd souffrait de l’effet mémoire : rechargé régulièrement avant d’être vidé, il finissait par « retenir » ce point et ne plus rendre la capacité située en dessous. D’où la consigne, longtemps répétée, de décharger complètement avant de recharger.
Le NiCd a quasiment disparu, en raison de la toxicité du cadmiumMétal lourd toxique : son usage dans les batteries portables grand public est interdit dans l’Union européenne, sauf rares exceptions.. Le NiMH, presque insensible à l’effet mémoire, survit dans les piles rechargeables du commerce et dans certains véhicules hybrides.

Et surtout :

la consigne « videz avant de recharger » ne vaut pas pour le lithium. Appliquée à une batterie lithium, elle l’use plus vite.

Le lithium-ion : des ions qui font la navette

Dans une batterie lithium-ion, des ions lithium passent d’une électrode à l’autre à travers l’électrolyte : vers le graphite à la charge, vers l’oxyde métallique à la décharge. Rien ne se dissout, rien ne se reconstruit ; les ions s’insèrent simplement dans la structure des électrodes.
Le mot « lithium » recouvre en réalité plusieurs chimies, qui n’ont ni la même tension, ni la même durée de vie, ni le même comportement en cas d’abus :

Chimie	Tension nominale	Énergie	Cycles	Sûreté
NMC	3,6 à 3,7 V	150 à 250 Wh/kg	1 000 à 2 000	à surveiller
LFP	3,2 V	90 à 160 Wh/kg	3 000 à 6 000	très bonne
LTO	2,4 V	50 à 80 Wh/kg	10 000 et plus	excellente

NMC (nickel, manganèse, cobalt) : la plus dense, celle des téléphones, des ordinateurs et de nombreuses voitures. LFP (lithium fer phosphate) : moins dense mais bien plus durable et plus stable, elle s’impose dans le stockage stationnaire, les installations solaires et de plus en plus de véhicules. Quatre éléments LFP en série donnent 12,8 V : c’est le remplaçant naturel de la batterie au plomb.
À suivre : le sodium-ion, sans lithium, moins dense, mais à l’aise au froid, arrive sur le marché.

Charger un lithium : CCCV, et rien d’autre

Une batterie lithium se charge en deux temps : intensité constante (CC) jusqu’à la tension maximale de l’élément, puis tension constante (CV) pendant que l’intensité décroît. Quand celle-ci tombe à quelques pourcents de la capacité, la charge s’arrête. Pas de floating : un lithium maintenu en permanence à sa tension maximale vieillit plus vite.

Des limites strictes :

• NMC : 4,2 V maximum, 3,0 V minimum par élément ;
• LFP : 3,65 V maximum, 2,5 V minimum par élément.

Quelques dixièmes de volt au-delà suffisent à endommager un élément, voire à le rendre dangereux. D’où le BMS, objet du chapitre suivant.

Jamais sous 0 °C :

Chargé dans le froid, le lithium se dépose en métal sur l’électrode au lieu de s’y insérer. Ce placageLe lithium métallique forme des aiguilles, les dendrites, qui peuvent percer le séparateur et provoquer un court-circuit interne. fait perdre de la capacité et fragilise la batterie. La décharge par temps froid, elle, reste possible.

Faire durer une batterie lithium

Pas d’effet mémoire, pas de cycle à respecter : un lithium se recharge quand on veut, à n’importe quel niveau. Il préfère même les recharges partielles.

• Éviter les extrêmes : rester entre 20 et 80 % prolonge nettement la vie d’une NMC. Une LFP tolère mieux le 100 %, mais n’aime pas y rester des semaines.
• Éviter la chaleur : c’est son premier ennemi. Ne pas recharger une batterie encore chaude d’une forte décharge.
• Stocker à mi-charge : autour de 40 à 60 %, au frais, pour un stockage de plusieurs mois.
• Respecter le régime : le régime C1 C est l’intensité qui viderait la batterie en une heure : 100 A pour une batterie de 100 Ah. 0,5 C = 50 A, 2 C = 200 A. maximal indiqué par le fabricant, en charge comme en décharge.

Le « recalibrage » dont on parle parfois ne concerne pas les éléments : c’est la jauge qui a besoin, de temps en temps, d’une charge complète pour recaler son estimation. Nous y revenons avec le BMS.