Les batteries au lithium sont devenues extrêmement populaires ces dernières années. Des smartphones aux véhicules électriques, les batteries lithium-ion alimentent certains de nos appareils les plus essentiels. Mais quelle proportion de la capacité déclarée d'une batterie au lithium est réellement utilisable ? À quel pourcentage faut-il se fier pour une utilisation réelle ? Dans ce guide complet, en tant que professionnel fabricant de batteries au lithiumNous vous présentons ici tout ce que vous devez savoir sur la capacité utilisable d'une batterie au lithium.
L'importance de la capacité utilisable
Lors de la sélection d'une batterie au lithium, vous verrez généralement deux mesures de capacité :
- Capacité nominale
- Capacité utilisable
Le capacité nominale fait référence à la charge maximale possible de la batterie. Cependant, pour les raisons que nous allons évoquer, vous ne pouvez accéder qu'à un pourcentage du stockage total d'une batterie au lithium. Cette partie utilisable est le chiffre clé auquel il faut prêter attention.
Comprendre la capacité utilisable permet de s'assurer que vous obtenez l'autonomie que vous attendez d'une batterie. Elle permet également de prévenir l'usure prématurée en évitant les décharges excessives. Plus loin dans ce guide, nous étudierons les pourcentages de capacité utilisable pour les différentes compositions chimiques des piles au lithium.
Facteurs limitant la capacité totale
Bien que les fabricants évaluent les batteries à une certaine capacité, plusieurs variables empêchent d'accéder à 100% de cette capacité de charge. Les deux principaux facteurs limitants sont les suivants :
Restrictions relatives à la profondeur de déversement
En raison de la chimie des batteries au lithium, les vider complètement peut endommager les composants de la cellule. Pour maximiser la durée du cycle, les concepteurs de systèmes appliquent des tensions de coupure qui laissent une partie de la charge inutilisée. Ce tampon protège les batteries mais limite leur capacité opérationnelle.
Les valeurs nominales de la profondeur maximale de déversement sont typiques :
- Oxyde de lithium et de cobalt (LCO) - 80%
- Oxyde de lithium et de manganèse (LMO) - 80%
- Lithium nickel cobalt manganèse (NCM) - 80%
- Oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NCA) - 90%
- Oxyde de titanate de lithium (LTO) - 100%
- Phosphate de fer lithié (LFP) - 100%
Ainsi, dans une batterie LFP d'une capacité de 100 Ah, par exemple, vous pouvez théoriquement accéder à la totalité des 100 Ah. Cependant, une batterie NCM ayant la même capacité atteindrait son maximum autour de 90Ah.
Coupures de tension
Outre les limites de profondeur de décharge, les systèmes de gestion des batteries au lithium imposent des coupures de tension. Cela permet d'éviter que les cellules ne tombent sous des niveaux de tension sûrs pendant la décharge.
Pour la plupart des batteries au lithium, le seuil de basse tension se situe entre 2,5 et 3,0 V par élément. Cela limite encore l'accès à la capacité maximale pour garantir un fonctionnement sûr.
Capacité utilisable en fonction de la composition chimique de la batterie
Examinons maintenant la capacité utilisable des piles au lithium pour les types de piles au lithium les plus courants. N'oubliez pas que ces chiffres sont des indications générales qui peuvent varier d'un modèle de batterie à l'autre. Vérifiez toujours les spécifications pour confirmer les capacités utilisables précises des fabricants.
Oxyde de lithium et de cobalt (LCO)
L'oxyde de lithium et de cobalt offre une densité énergétique élevée mais présente des problèmes de stabilité connus. La plupart des cellules LCO limitent la profondeur maximale de décharge à 80% afin de maximiser la durée de vie du cycle.
Capacité d'utilisation : 80% de la capacité nominale
Oxyde de lithium et de manganèse (LMO)
Avec une stabilité thermique plus élevée que le LCO, l'oxyde de manganèse lithium limite également la décharge à 80% pour éviter d'endommager la cellule.
Capacité d'utilisation : 80% de la capacité nominale
Lithium Nickel Manganèse Cobalt (NMC)
L'un des types de batteries pour véhicules électriques les plus populaires, la NMC offre un bon équilibre entre la densité énergétique, la stabilité et le coût. La capacité utilisable varie en fonction de la composition exacte de la cathode, mais on peut s'attendre à une capacité d'environ 80%.
Capacité d'utilisation : 80% de la capacité nominale
Oxyde de lithium nickel cobalt aluminium (NCA)
Utilisées dans les batteries des véhicules électriques Tesla, les cathodes NCA permettent d'obtenir des capacités et des taux de décharge très élevés. Le coût et l'instabilité thermique relative équilibrent ces capacités avec une restriction typique de 90% de décharge maximale.
Capacité d'utilisation : 90% de la capacité nominale
Titanate de lithium (LTO)
Les batteries LTO offrent la plus grande capacité utilisable grâce à une stabilité et une longévité exceptionnelles. La profondeur de décharge maximale est généralement de 100%.
Capacité d'utilisation : 100% de la capacité nominale
Phosphate de fer lithié (LFP)
Star émergente du stockage des énergies renouvelables, les batteries LFP permettent également une profondeur de décharge de 100% en toute sécurité pour une capacité utilisable maximale.
Capacité d'utilisation : 100% de la capacité nominale
Lorsque la capacité utilisable change
Gardez à l'esprit que la capacité de la batterie et la profondeur de décharge peuvent changer avec le temps.
La plupart des piles au lithium ont une durée de vie couvrant des milliers de cycles de charge. Toutefois, la capacité utilisable diminue lentement au cours de ces cycles, à mesure que les piles s'usent.
Les températures de fonctionnement extrêmes réduisent également la charge accessible à chaque utilisation. Les températures plus froides inhibent les interactions chimiques, tandis que la chaleur accélère la dégradation des composants.
Enfin, la vitesse de décharge a un impact sur la capacité utilisable. Des vitesses de décharge plus rapides limitent la capacité en exacerbant l'instabilité moléculaire. Les cycles de décharge plus lents permettent d'accéder à une plus grande partie de la capacité maximale d'une batterie.
Principaux enseignements sur la capacité d'utilisation des piles au lithium
Bien que les fabricants indiquent la capacité maximale des batteries au lithium, des restrictions techniques empêchent d'accéder à la charge nominale totale :
- Les limites de profondeur de décharge protègent les batteries mais réduisent la capacité utilisable.
- Les coupures de tension permettent également d'éviter les dommages causés aux cellules par une décharge excessive.
- Les pourcentages de capacité utilisable varient de 80% à 100% en fonction de la composition chimique de la batterie.
- Les capacités réelles diminuent au cours de la durée de vie de la batterie
- Les températures extrêmes et les taux de décharge rapides réduisent également la capacité utilisable.
Comprendre cette dynamique permet de dimensionner correctement les systèmes d'alimentation au lithium et de définir les attentes en matière de durée de fonctionnement. La capacité utilisable est la principale spécification à laquelle il faut prêter attention lors de la comparaison des solutions.
La gestion des batteries au lithium maximise la capacité utilisable
Les systèmes avancés de gestion des batteries assurent un équilibre entre la protection des cellules au lithium et l'optimisation de la capacité utilisable. Par exemple :
Équilibre cellulaire
Pour garantir des performances sûres et constantes, un BMS équilibre activement les tensions entre les cellules d'un pack. Cela empêche les cellules individuelles de dépasser les limites.
Contrôles thermiques
Qu'elle soit à base d'air ou de liquide, la gestion thermique régule les températures des batteries dans des plages de fonctionnement sûres. Cela permet un accès constant à la capacité maximale.
Régulation du courant de charge/décharge
Le contrôle actif des taux de charge et de décharge donne au BMS une plus grande marge de manœuvre pour accéder en toute sécurité à la pleine capacité utilisable d'une batterie. Les vitesses lentes maximisent la capacité tandis que les vitesses rapides la limitent.
Suivi précis des SOC/SOH
En surveillant de près l'état de charge et l'état de santé, un système de gestion des bâtiments sait exactement quelle capacité reste utilisable. Cela permet d'éviter les arrêts inattendus dus à une décharge excessive.
La technologie moderne de gestion de la batterie permet d'équilibrer la capacité utilisable de la batterie au lithium avec la sécurité et la longévité. Cela permet d'optimiser les durées d'utilisation pour des performances supérieures dans le monde réel.
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