Caractéristiques de la batterie au lithium Chargement de la batterie au lithium

La batterie au lithium est un type de batterie qui utilise du lithium métal ou un alliage de lithium comme matériau d'électrode négative et utilise une solution électrolytique non aqueuse.La première batterie au lithium présentée est celle du grand inventeur Edison.

Piles au lithium – Piles au lithium

batterie au lithium
La batterie au lithium est un type de batterie qui utilise du lithium métal ou un alliage de lithium comme matériau d'électrode négative et utilise une solution électrolytique non aqueuse.La première batterie au lithium présentée est celle du grand inventeur Edison.

Les propriétés chimiques du lithium métallique étant très actives, le traitement, le stockage et l’application du lithium métallique sont soumis à des exigences environnementales très élevées.Par conséquent, les piles au lithium ne sont plus utilisées depuis longtemps.

Avec le développement de la technologie microélectronique au XXe siècle, les appareils miniaturisés se multiplient de jour en jour, ce qui impose des exigences élevées en matière d'alimentation électrique.Les batteries au lithium sont alors entrées dans une phase pratique à grande échelle.

Il a été utilisé pour la première fois dans les stimulateurs cardiaques.Le taux d’autodécharge des batteries au lithium étant extrêmement faible, la tension de décharge est forte.Il permet d’implanter durablement le stimulateur cardiaque dans le corps humain.

Les batteries au lithium ont généralement une tension nominale supérieure à 3,0 volts et conviennent mieux aux alimentations de circuits intégrés.Les piles au dioxyde de manganèse sont largement utilisées dans les ordinateurs, les calculatrices, les appareils photo et les montres.

Afin de développer des variétés plus performantes, différents matériaux ont été étudiés.Et puis fabriquez des produits comme jamais auparavant.Par exemple, les batteries au lithium-dioxyde de soufre et les batteries au lithium-chlorure de thionyle sont très distinctives.Leur matière active positive est également un solvant pour l'électrolyte.Cette structure n'est présente que dans les systèmes électrochimiques non aqueux.Par conséquent, l’étude des batteries au lithium a également favorisé le développement de la théorie électrochimique des systèmes non aqueux.Outre l'utilisation de divers solvants non aqueux, des recherches ont également été menées sur les batteries à couches minces polymères.

En 1992, Sony a développé avec succès des batteries lithium-ion.Son application pratique réduit considérablement le poids et le volume des appareils électroniques portables tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables.La durée d'utilisation est considérablement prolongée.Étant donné que les batteries lithium-ion ne contiennent pas de chrome, un métal lourd, par rapport aux batteries nickel-chrome, la pollution de l'environnement est considérablement réduite.

1. Batterie lithium-ion
Les batteries lithium-ion sont désormais divisées en deux catégories : les batteries lithium-ion liquide (LIB) et les batteries lithium-ion polymère (PLB).Parmi eux, la batterie lithium-ion liquide fait référence à la batterie secondaire dans laquelle le composé d'intercalation Li + est constitué des électrodes positives et négatives.L'électrode positive sélectionne le composé de lithium LiCoO2 ou LiMn2O4, et l'électrode négative sélectionne le composé intercalaire lithium-carbone.Les batteries lithium-ion sont un moteur idéal pour le développement au 21e siècle en raison de leur tension de fonctionnement élevée, de leur petite taille, de leur légèreté, de leur haute énergie, de leur absence d'effet mémoire, de leur absence de pollution, de leur faible autodécharge et de leur longue durée de vie.

2. Un bref historique du développement des batteries lithium-ion
Les batteries au lithium et les batteries lithium-ion sont de nouvelles batteries à haute énergie développées avec succès au 20e siècle.L'électrode négative de cette batterie est du lithium métallique et l'électrode positive est du MnO2, SOCL2, (CFx)n, etc. Elle a été mise en pratique dans les années 1970.En raison de sa haute énergie, de sa tension de batterie élevée, de sa large plage de températures de fonctionnement et de sa longue durée de stockage, il a été largement utilisé dans les petits appareils électriques militaires et civils, tels que les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les caméras vidéo, les appareils photo, etc., en partie remplacement des piles traditionnelles..

3. Perspectives de développement des batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion ont été largement utilisées dans les appareils portables tels que les ordinateurs portables, les caméras vidéo et les communications mobiles en raison de leurs avantages fonctionnels uniques.La batterie lithium-ion de grande capacité développée actuellement a été testée sur des véhicules électriques et on estime qu'elle deviendra l'une des principales sources d'énergie pour les véhicules électriques au 21e siècle et qu'elle sera utilisée dans les satellites, l'aérospatiale et le stockage d'énergie. .

4. La fonction de base de la batterie
(1) La tension en circuit ouvert de la batterie
(2) Résistance interne de la batterie
(3) La tension de fonctionnement de la batterie

(4) Tension de charge
La tension de charge fait référence à la tension appliquée aux deux extrémités de la batterie par l'alimentation externe lorsque la batterie secondaire est en cours de charge.Les méthodes de charge de base comprennent la charge à courant constant et la charge à tension constante.Généralement, une charge à courant constant est utilisée et sa caractéristique est que le courant de charge est stable pendant le processus de charge.Au fur et à mesure que la charge progresse, le matériau actif est récupéré, la zone de réaction de l'électrode est continuellement réduite et la polarisation du moteur augmente progressivement.

(5) Capacité de la batterie
La capacité de la batterie fait référence à la quantité d'électricité obtenue à partir de la batterie, qui est généralement exprimée par C, et l'unité est généralement exprimée par Ah ou mAh.La capacité est un objectif important de la performance électrique de la batterie.La capacité de la batterie est généralement divisée en capacité théorique, capacité pratique et capacité nominale.

La capacité de la batterie est déterminée par la capacité des électrodes.Si les capacités des électrodes ne sont pas égales, la capacité de la batterie dépend de l'électrode de plus petite capacité, mais ce n'est en aucun cas la somme des capacités des électrodes positives et négatives.

(6) Fonction de stockage et durée de vie de la batterie
L’une des principales caractéristiques des sources d’énergie chimiques est qu’elles peuvent libérer de l’énergie électrique lorsqu’elles sont utilisées et stocker de l’énergie électrique lorsqu’elles ne sont pas utilisées.La fonction dite de stockage est la capacité de maintenir la charge de la batterie secondaire.

Concernant la batterie secondaire, la durée de vie est un paramètre important pour mesurer les performances de la batterie.Une batterie secondaire est chargée et déchargée une fois, appelée cycle (ou cycle).Selon un certain critère de charge et de décharge, le nombre de temps de charge et de décharge que la batterie peut supporter avant que la capacité de la batterie n'atteigne une certaine valeur est appelé cycle de fonctionnement de la batterie secondaire.Les batteries lithium-ion ont d'excellentes performances de stockage et une longue durée de vie.

Piles au lithium – Caractéristiques
A. Haute densité énergétique
Le poids de la batterie lithium-ion est la moitié de celui d'une batterie nickel-cadmium ou nickel-hydrogène de même capacité, et le volume est de 40 à 50 % du nickel-cadmium et de 20 à 30 % de la batterie nickel-hydrogène. .

B. Haute tension
La tension de fonctionnement d'une seule batterie lithium-ion est de 3,7 V (valeur moyenne), ce qui équivaut à trois batteries nickel-cadmium ou nickel-hydrure métallique connectées en série.

C. Aucune pollution
Les batteries lithium-ion ne contiennent pas de métaux nocifs tels que le cadmium, le plomb et le mercure.

D. Ne contient pas de lithium métallique
Les batteries lithium-ion ne contiennent pas de lithium métallique et ne sont donc pas soumises à des réglementations telles que l'interdiction de transporter des batteries au lithium dans les avions de passagers.

E. Durée de vie élevée
Dans des conditions normales, les batteries lithium-ion peuvent avoir plus de 500 cycles de charge-décharge.

F. Pas d'effet mémoire
L'effet mémoire fait référence au phénomène selon lequel la capacité de la batterie nickel-cadmium est réduite pendant le cycle de charge et de décharge.Les batteries lithium-ion n'ont pas cet effet.

G. Chargement rapide
L'utilisation d'un chargeur à courant constant et à tension constante avec une tension nominale de 4,2 V peut charger complètement la batterie lithium-ion en une à deux heures.

Batterie au lithium – Principe et structure de la batterie au lithium
1. Structure et principe de fonctionnement de la batterie lithium-ion : La batterie dite lithium-ion fait référence à une batterie secondaire composée de deux composés qui peuvent intercaler et désintercaler de manière réversible les ions lithium sous forme d'électrodes positives et négatives.Les gens appellent cette batterie lithium-ion dotée d'un mécanisme unique, qui repose sur le transfert d'ions lithium entre les électrodes positives et négatives pour compléter l'opération de charge et de décharge de la batterie, comme une « batterie de chaise berçante », communément appelée « batterie au lithium ». .Prenons l'exemple de LiCoO2 : (1) Lorsque la batterie est chargée, les ions lithium sont désintercalés de l'électrode positive et intercalés dans l'électrode négative, et vice versa lors de la décharge.Cela nécessite qu'une électrode soit dans un état d'intercalation du lithium avant son assemblage.Généralement, un oxyde de métal de transition d'intercalation de lithium ayant un potentiel supérieur à 3 V par rapport au lithium et stable dans l'air est sélectionné comme électrode positive, tel que LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4.(2) Pour les matériaux qui sont des électrodes négatives, sélectionner des composés de lithium intercalables dont le potentiel est le plus proche possible du potentiel du lithium.Par exemple, divers matériaux carbonés comprennent le graphite naturel, le graphite synthétique, la fibre de carbone, le carbone sphérique mésophase, etc. et les oxydes métalliques, notamment SnO, SnO2, l'oxyde composite d'étain SnBxPyOz (x=0,4～0,6, y=0,6～0,4, z= (2+3x+5 ans)/2) etc.

batterie au lithium
2. La batterie comprend généralement : positif, négatif, électrolyte, séparateur, fil positif, plaque négative, borne centrale, matériau isolant (isolant), soupape de sécurité (évent de sécurité), bague d'étanchéité (joint), PTC (borne de contrôle de température positive), compartiment des piles.En général, les gens se soucient davantage de l’électrode positive, de l’électrode négative et de l’électrolyte.

batterie au lithium
Comparaison de la structure des batteries lithium-ion
Selon différents matériaux cathodiques, il est divisé en fer-lithium, cobalt-lithium, manganèse-lithium, etc.
D'après la classification des formes, il est généralement divisé en cylindrique et carré, et les ions lithium polymère peuvent également prendre n'importe quelle forme ;
Selon les différents matériaux électrolytiques utilisés dans les batteries lithium-ion, les batteries lithium-ion peuvent être divisées en deux catégories : les batteries lithium-ion liquide (LIB) et les batteries lithium-ion à semi-conducteurs.PLIB) est une sorte de batterie lithium-ion à semi-conducteurs.

électrolyte
Collecteur de courant de barrière Shell/Package
Batterie lithium-ion liquide Acier inoxydable liquide, aluminium Feuille de cuivre 25μPE et feuille d'aluminium Batterie lithium-ion polymère polymère colloïdal Film composite aluminium/PP sans barrière ou feuille de cuivre μPE simple et feuille d'aluminium

Batteries au lithium – La fonction des batteries au lithium-ion

1. Haute densité énergétique
Par rapport aux batteries NI/CD ou NI/MH de même capacité, les batteries lithium-ion sont plus légères et leur énergie spécifique en volume est 1,5 à 2 fois supérieure à celle de ces deux types de batteries.

2. Haute tension
Les batteries lithium-ion utilisent des électrodes de lithium contenant des éléments hautement électronégatifs pour atteindre des tensions aux bornes aussi élevées que 3,7 V, soit trois fois la tension des batteries NI/CD ou NI/MH.

3. Non polluant, respectueux de l'environnement

4. Longue durée de vie
La durée de vie dépasse 500 fois

5. Capacité de charge élevée
Les batteries lithium-ion peuvent être déchargées en continu avec un courant important, de sorte que cette batterie puisse être utilisée dans des appareils haute puissance tels que des appareils photo et des ordinateurs portables.

6. Excellente sécurité
Grâce à l'utilisation d'excellents matériaux d'anode, le problème de la croissance des dendrites de lithium pendant le chargement de la batterie est résolu, ce qui améliore considérablement la sécurité des batteries lithium-ion.Dans le même temps, des accessoires récupérables spéciaux sont sélectionnés pour assurer la sécurité de la batterie pendant l'utilisation.

Batterie au lithium – Méthode de chargement de la batterie au lithium-ion
Méthode 1. Avant que la batterie lithium-ion ne quitte l'usine, le fabricant a effectué un traitement d'activation et une pré-charge, de sorte que la batterie lithium-ion a une puissance résiduelle et la batterie lithium-ion est chargée en fonction de la période d'ajustement.Cette période d'ajustement doit être effectuée 3 à 5 fois complètement.Décharge.
Méthode 2. Avant de charger, la batterie lithium-ion n'a pas besoin d'être spécialement déchargée.Une décharge incorrecte endommagera la batterie.Lors du chargement, essayez d'utiliser une charge lente et réduisez la charge rapide ;le temps ne doit pas dépasser 24 heures.Ce n’est qu’après que la batterie aura subi trois à cinq cycles complets de charge et de décharge que ses produits chimiques internes seront entièrement « activés » pour une utilisation optimale.
Méthode 3. Veuillez utiliser le chargeur d'origine ou un chargeur de marque réputée.Pour les batteries au lithium, utilisez un chargeur spécial pour batteries au lithium et suivez les instructions.Sinon, la batterie sera endommagée, voire mise en danger.
Méthode 4. La batterie nouvellement achetée est au lithium-ion, donc les 3 à 5 premières fois de charge sont généralement appelées période d'ajustement, et elle doit être chargée pendant plus de 14 heures pour garantir que l'activité des ions lithium est complètement activée.Les batteries lithium-ion n'ont pas d'effet mémoire, mais présentent une forte inertie.Ils doivent être entièrement activés pour garantir les meilleures performances dans les applications futures.
Méthode 5. La batterie lithium-ion doit utiliser un chargeur spécial, sinon elle risque de ne pas atteindre l'état de saturation et d'affecter son fonctionnement.Après la charge, évitez de la placer sur le chargeur pendant plus de 12 heures et séparez la batterie du produit électronique mobile lorsqu'elle n'est pas utilisée pendant une longue période.

Batterie au lithium – utilisation
Avec le développement de la technologie microélectronique au XXe siècle, les appareils miniaturisés se multiplient de jour en jour, ce qui impose des exigences élevées en matière d'alimentation électrique.Les batteries au lithium sont alors entrées dans une phase pratique à grande échelle.
Il a été utilisé pour la première fois dans les stimulateurs cardiaques.Le taux d’autodécharge des batteries au lithium étant extrêmement faible, la tension de décharge est forte.Il permet d’implanter durablement le stimulateur cardiaque dans le corps humain.
Les batteries au lithium ont généralement une tension nominale supérieure à 3,0 volts et conviennent mieux aux alimentations de circuits intégrés.Les piles au dioxyde de manganèse sont largement utilisées dans les ordinateurs, les calculatrices, les appareils photo et les montres.

Exemple d'application
1. Il existe de nombreuses batteries de remplacement pour les réparations de batteries : telles que celles utilisées dans les ordinateurs portables.Après réparation, on constate que lorsque cette batterie est endommagée, seules les batteries individuelles ont des problèmes.Elle peut être remplacée par une pile au lithium monocellulaire appropriée.
2. Fabriquer une torche miniature à haute luminosité L'auteur a déjà utilisé une seule batterie au lithium de 3,6 V 1,6 Ah avec un tube électroluminescent blanc à super luminosité pour fabriquer une torche miniature, facile à utiliser, compacte et belle.Et en raison de la grande capacité de la batterie, elle peut être utilisée en moyenne une demi-heure chaque nuit, et elle a été utilisée pendant plus de deux mois sans charge.
3. Alimentation alternative 3V

Parce que la tension de la batterie au lithium monocellulaire est de 3,6 V.Par conséquent, une seule batterie au lithium peut remplacer deux batteries ordinaires pour alimenter les petits appareils électroménagers tels que les radios, les baladeurs, les appareils photo, etc., ce qui est non seulement léger, mais dure également longtemps.

Matériau d'anode de batterie lithium-ion – titanate de lithium

Il peut être combiné avec du manganate de lithium, des matériaux ternaires ou du phosphate de fer et de lithium et d'autres matériaux positifs pour former des batteries secondaires lithium-ion de 2,4 V ou 1,9 V.De plus, il peut également être utilisé comme électrode positive pour former une batterie au lithium de 1,5 V avec une batterie secondaire à électrode négative au lithium métallique ou en alliage de lithium.

En raison de la sécurité élevée, de la stabilité élevée, de la longévité et des caractéristiques écologiques du titanate de lithium.On peut prédire que le titanate de lithium deviendra le matériau d'électrode négative d'une nouvelle génération de batteries lithium-ion d'ici 2 à 3 ans et sera largement utilisé dans les nouveaux véhicules électriques, les motos électriques et ceux nécessitant une sécurité élevée, une stabilité élevée et un cycle long.champs d'application.La tension de fonctionnement de la batterie au titanate de lithium est de 2,4 V, la tension la plus élevée est de 3,0 V et le courant de charge peut atteindre 2 C.

Composition de la batterie au titanate de lithium
Électrode positive : phosphate de fer lithium, manganate de lithium ou matériau ternaire, manganate de lithium nickel.
Électrode négative : matériau titanate de lithium.
Barrière : la barrière actuelle des batteries au lithium avec du carbone comme électrode négative.
Électrolyte : électrolyte de batterie au lithium avec du carbone comme électrode négative.
Boîtier de batterie : boîtier de batterie au lithium avec du carbone comme électrode négative.

Les avantages des batteries au lithium titanate : choisir des véhicules électriques pour remplacer les véhicules à carburant est le meilleur choix pour résoudre la pollution de l'environnement urbain.Parmi elles, les batteries lithium-ion ont attiré l’attention des chercheurs.Afin de répondre aux exigences des véhicules électriques en matière de batteries lithium-ion embarquées, la recherche et le développement de matériaux négatifs offrant une sécurité élevée, de bonnes performances et une longue durée de vie sont ses points chauds et ses difficultés.

Les électrodes négatives des batteries lithium-ion commerciales utilisent principalement des matériaux en carbone, mais l'application de batteries au lithium utilisant du carbone comme électrode négative présente encore certains inconvénients :
1. Les dendrites de lithium précipitent facilement lors d'une surcharge, entraînant un court-circuit de la batterie et affectant la fonction de sécurité de la batterie au lithium ;
2. Il est facile de former un film SEI, ce qui entraîne une faible puissance de charge et de décharge initiale et une grande capacité irréversible ;
3. C'est-à-dire que la tension de plate-forme des matériaux carbonés est faible (proche du lithium métallique) et qu'il est facile de provoquer la décomposition de l'électrolyte, ce qui entraînera des risques pour la sécurité.
4. Au cours du processus d'insertion et d'extraction des ions lithium, le volume change considérablement et la stabilité du cycle est mauvaise.

Par rapport aux matériaux carbonés, le Li4Ti5012 de type spinelle présente des avantages significatifs :
1. Il s’agit d’un matériau sans contrainte et a de bonnes performances de circulation ;
2. La tension de décharge est stable et l'électrolyte ne se décomposera pas, améliorant ainsi les performances de sécurité des batteries au lithium ;
3. Comparé aux matériaux d'anode en carbone, le titanate de lithium a un coefficient de diffusion des ions lithium élevé (2*10-8 cm2/s) et peut être chargé et déchargé à un rythme élevé.
4. Le potentiel du titanate de lithium est supérieur à celui du lithium métallique pur et il n'est pas facile de générer des dendrites de lithium, ce qui constitue une base pour assurer la sécurité des batteries au lithium.

circuit d'entretien
Il se compose de deux transistors à effet de champ et d'un bloc intégré de maintenance dédié S-8232.Le tube de contrôle de surcharge FET2 et le tube de contrôle de surcharge FET1 sont connectés en série au circuit, et la tension de la batterie est surveillée et contrôlée par le circuit intégré de maintenance.Lorsque la tension de la batterie atteint 4,2 V, le tube de maintien de surcharge FET1 est éteint et la charge est terminée.Afin d'éviter un dysfonctionnement, un condensateur à retard est généralement ajouté au circuit externe.Lorsque la batterie est déchargée, la tension de la batterie chute à 2,55.