Les batteries au lithium se distinguent des autres chimies de batteries en raison de leur densité d'énergie élevée et de leur faible coût par cycle. Cependant, «batterie au lithium» est un terme ambigu. Il existe environ six chimies courantes des batteries au lithium, toutes avec leurs propres avantages et inconvénients. Pour les applications d'énergie renouvelable, la chimie prédominante est le phosphate de lithium et de fer (LiFePO4). Cette chimie a une excellente sécurité, avec une grande stabilité thermique, des courants nominaux élevés, une longue durée de vie et une tolérance aux abus.
Phosphate de fer lithium (LiFePO4) est une chimie du lithium extrêmement stable par rapport à presque toutes les autres chimies du lithium. La batterie est assemblée avec un matériau de cathode naturellement sûr (phosphate de fer). Comparé à d'autres chimies du lithium, le phosphate de fer favorise une liaison moléculaire forte, qui résiste à des conditions de charge extrêmes, prolonge la durée de vie du cycle et maintient l'intégrité chimique sur de nombreux cycles. C'est ce qui confère à ces batteries leur grande stabilité thermique, leur longue durée de vie et leur tolérance aux abus. Les batteries LiFePO4 ne sont pas sujettes à la surchauffe, ni à un «emballement thermique» et ne peuvent donc pas surchauffer ou s'enflammer lorsqu'elles sont soumises à une mauvaise manipulation rigoureuse ou à des conditions environnementales difficiles.
Contrairement au plomb-acide inondé et à d'autres chimies de batterie, les batteries au lithium ne dégagent pas de gaz dangereux tels que l'hydrogène et l'oxygène. Il n'y a pas non plus de danger d'exposition aux électrolytes caustiques tels que l'acide sulfurique ou l'hydroxyde de potassium. Dans la plupart des cas, ces batteries peuvent être stockées dans des zones confinées sans risque d'explosion et un système correctement conçu ne devrait pas nécessiter de refroidissement actif ou de ventilation.
Les batteries au lithium sont un assemblage composé de nombreuses cellules, comme les batteries au plomb-acide et de nombreux autres types de batteries. Les batteries au plomb ont une tension nominale de 2 V / élément, tandis que les cellules de batterie au lithium ont une tension nominale de 3,2 V. Par conséquent, pour obtenir une batterie 12 V, vous aurez généralement quatre cellules connectées en série. Cela rendra la tension nominale d'un LiFePO4 12.8V. Huit cellules connectées en série forment une batterie 24V avec une tension nominale de 25,6V et seize cellules connectées en série forment une batterie 48V avec une tension nominale de 51,2V. Ces tensions fonctionnent très bien avec vos onduleurs 12 V, 24 V et 48 V.
Les batteries au lithium sont souvent utilisées pour remplacer directement les batteries au plomb, car elles ont des tensions de charge très similaires. Une batterie LiFePO4 à quatre cellules (12,8 V) aura généralement une tension de charge maximale entre 14,4 et 14,6 V (selon les recommandations du fabricant). La particularité d'une batterie au lithium est qu'elle n'a pas besoin d'une charge d'absorption ou d'être maintenue dans un état de tension constant pendant des périodes de temps significatives. En règle générale, lorsque la batterie atteint la tension de charge maximale, elle n'a plus besoin d'être chargée. Les caractéristiques de décharge des batteries LiFePO4 sont également uniques. Pendant la décharge, les batteries au lithium maintiendront une tension beaucoup plus élevée que les batteries plomb-acide normalement sous charge. Il n'est pas rare qu'une batterie au lithium ne laisse tomber que quelques dixièmes de volt d'une charge complète à une décharge à 75%. Cela peut rendre difficile la détermination de la capacité utilisée sans équipement de surveillance de la batterie.
Un avantage significatif du lithium par rapport aux batteries plomb-acide est qu'elles ne souffrent pas de cycle de déficit. Essentiellement, c'est lorsque les batteries ne peuvent pas être complètement chargées avant d'être à nouveau déchargées le lendemain. C'est un très gros problème avec les batteries au plomb-acide et peut favoriser une dégradation significative de la plaque si elle est répétée de cette manière. Batteries LiFePO4 n'ont pas besoin d'être complètement chargés régulièrement. En fait, il est possible d'améliorer légèrement l'espérance de vie globale avec une légère charge partielle au lieu d'une charge complète.
L'efficacité est un facteur très important lors de la conception de systèmes électriques solaires. L'efficacité aller-retour (de plein à mort et de retour à plein) de la batterie au plomb moyenne est d'environ 80%. D'autres chimies peuvent être encore pires. L'efficacité énergétique aller-retour d'une batterie au lithium fer phosphate est de plus de 95 à 98%. Cela seul est une amélioration significative pour les systèmes privés d'énergie solaire pendant l'hiver, les économies de carburant provenant de la charge du générateur peuvent être énormes. L'étape de charge d'absorption des batteries au plomb-acide est particulièrement inefficace, ce qui se traduit par des rendements de 50% ou même moins. Étant donné que les batteries au lithium n'absorbent pas la charge, le temps de charge entre complètement déchargée et complètement pleine peut être aussi peu que deux heures. Il est également important de noter qu'une batterie au lithium peut subir une décharge presque complète comme indiqué sans effets indésirables importants. Il est cependant important de s'assurer que les cellules individuelles ne se déchargent pas excessivement. C'est le travail du système de gestion de batterie intégré (BMS).
La sécurité et la fiabilité des batteries au lithium sont une grande préoccupation, donc tous les assemblages doivent avoir un système de gestion de batterie (BMS) intégré. Le BMS est un système qui surveille, évalue, équilibre et empêche les cellules de fonctionner en dehors de la «zone de fonctionnement sûre». Le BMS est un composant de sécurité essentiel d'un système de batterie au lithium, surveillant et protégeant les cellules de la batterie contre les surintensités, les sous / surtensions, les sous / surchauffes et plus encore. Une cellule LiFePO4 sera endommagée de manière permanente si la tension de la cellule tombe à moins de 2,5 V, elle sera également endommagée de manière permanente si la tension de la cellule augmente à plus de 4,2 V. Le BMS surveille chaque cellule et évitera d'endommager les cellules en cas de sous / surtension.
Une autre responsabilité essentielle du BMS est d'équilibrer le pack pendant la charge, garantissant à toutes les cellules une charge complète sans surcharge. Les cellules d'une batterie LiFePO4 ne s'équilibreront pas automatiquement à la fin du cycle de charge. Il existe de légères variations d'impédance à travers les cellules et aucune cellule n'est donc identique à 100%. Par conséquent, lorsqu'elles sont cyclées, certaines cellules seront complètement chargées ou déchargées plus tôt que d'autres. La variance entre les cellules augmentera considérablement avec le temps si les cellules ne sont pas équilibrées.
Dans les batteries au plomb-acide, le courant continuera à circuler même lorsqu'une ou plusieurs cellules sont complètement chargées. C'est le résultat de l'électrolyse qui a lieu dans la batterie, l'eau se divisant en hydrogène et en oxygène. Ce courant aide à charger complètement les autres cellules, équilibrant ainsi naturellement la charge de toutes les cellules. Cependant, une pile au lithium complètement chargée aura une résistance très élevée et très peu de courant circulera. Les cellules en retard ne seront donc pas complètement chargées. Pendant l'équilibrage, le BMS appliquera une petite charge aux cellules complètement chargées, l'empêchant de surcharger et permettant aux autres cellules de rattraper.
Les batteries au lithium offrent de nombreux avantages par rapport aux autres compositions chimiques des batteries. Ils constituent une solution de batterie sûre et fiable, sans crainte d'emballement thermique et / ou de fusion catastrophique, ce qui est une possibilité importante par rapport aux autres types de batteries au lithium. Ces batteries offrent une durée de vie extrêmement longue, certains fabricants garantissant même des batteries jusqu'à 10 000 cycles. Avec des taux de décharge et de recharge élevés allant jusqu'à C / 2 en continu et une efficacité aller-retour allant jusqu'à 98%, il n'est pas étonnant que ces batteries gagnent du terrain dans l'industrie. Le phosphate de fer lithium (LiFePO4) est une solution parfaite de stockage d'énergie.
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