Piles au lithium : différences, utilisations et comment choisir les meilleures

Aujourd'hui, les piles au lithium sont devenues l'un des composants les plus importants dans le monde de la technologie et de l'énergie. Leur densité énergétique élevée, leur longue durée de vie et leur capacité de charge rapide en ont fait un choix de premier plan dans un large éventail d'applications, des appareils électroniques aux véhicules électriques.

Cependant, à mesure que la demande de piles au lithium augmente, la variété des options disponibles sur le marché s'accroît également. Il est donc essentiel de comprendre les différences entre elles et de savoir comment choisir les meilleures pour chaque cas.

Dans cet article, nous examinons les piles au lithium, leurs différences, leurs utilisations et la manière de choisir les meilleures.

Types de piles au lithium les plus courants

Les cellules prennent différentes formes physiques, qui déterminent la structure et la conception, qui à leur tour affectent les caractéristiques électriques et mécaniques des piles au lithium.

Les principaux formats sont : cylindrique, en feuille ou prismatique.

Cellules cylindriques

Très semblables aux boutons de la maison, les cellules cylindriques ont une forme précisément cylindrique. La cellule 18650, d'un diamètre de 18 mm et d'une hauteur de 65 mm, est l'un des formats les plus courants et les plus utilisés dans l'industrie des piles.

Avantages des cellules cylindriques

Les cellules lithium-ion cylindriques présentent plusieurs avantages, dont les plus importants sont les suivants :

• Boîtier durableLes cellules cylindriques sont conçues avec un boîtier métallique robuste, généralement en acier inoxydable. Ce boîtier offre une protection solide aux composants internes de la cellule, ce qui les rend plus durables et leur permet de résister à des conditions défavorables telles que les chocs, les vibrations et les températures élevées. Ceci est particulièrement important dans les applications où une résistance mécanique et une protection supplémentaire sont requises.

• Flexibilité dans la chimie cellulaireLes cellules cylindriques permettent de modifier la chimie interne de la cellule tout en conservant le même mécanisme de confinement. Cela signifie que les fabricants peuvent modifier la composition chimique de la cellule pour améliorer les performances, la capacité ou la sécurité, sans avoir à revoir complètement le boîtier ou le système de confinement. Cela permet une flexibilité et une adaptabilité aux différentes exigences et aux progrès de la technologie des piles au lithium.

• Grande disponibilitéLes piles cylindriques au lithium-ion, en particulier les formats standard tels que la pile 18650, sont largement disponibles sur le marché. Il est donc facile d'y accéder et de les acheter pour les utiliser dans diverses applications, des appareils électroniques portables aux véhicules électriques. La grande disponibilité de ces cellules cylindriques contribue à leur popularité et à leur facilité d'intégration dans divers systèmes et produits.

Cellules cylindriques

Inconvénients des cellules cylindriques.

Il est vrai que les cellules lithium-ion cylindriques présentent également certains inconvénients. Certains d'entre eux sont énumérés ici :

• Faible capacité des cellules individuellesLes cellules lithium-ion cylindriques ont une capacité individuelle relativement faible par rapport aux autres formats de cellules lithium. Par exemple, les cellules cylindriques les plus courantes, telles que la 18650, atteignent une capacité maximale d'environ 3 Ah. Cela peut limiter la quantité d'énergie stockée dans chaque cellule et nécessiter l'utilisation de plusieurs cellules en série ou en parallèle pour atteindre la capacité souhaitée.

• Assemblage par soudageDans la construction de batteries utilisant des cellules cylindriques, les cellules individuelles sont assemblées en série et en parallèle par soudure. Ce processus est plus complexe et plus coûteux que d'autres méthodes de connexion, telles que les cellules prismatiques qui peuvent être connectées par des connecteurs flexibles ou par soudage au laser. En outre, le soudage rend difficile le remplacement des cellules individuelles en cas de défaillance, car il faut généralement remplacer le module entier.

• Diminution de la sécurité de l'emballageLa nature en série et en parallèle de nombreuses cellules cylindriques dans un bloc-batterie peut entraîner une diminution de la sécurité du système dans son ensemble. La défaillance d'une cellule individuelle peut affecter les performances et la stabilité de l'ensemble de la batterie. En outre, l'absence de remplacement individuel des cellules peut entraîner un risque de sécurité plus élevé, étant donné que le remplacement complet du module est nécessaire en cas de défaillance d'une cellule.

La plupart des assembleurs de batteries lithium-ion placent plusieurs cellules en parallèle pour obtenir la capacité souhaitée : par exemple, pour obtenir une capacité de 200 Ah avec des cellules de 2,5 Ah, 80 cellules doivent être placées en parallèle, et toutes ces cellules doivent être connectées en parallèle.
Si un problème interne provoque un de ces courts-circuits, il absorbera non seulement sa propre énergie, mais devra aussi dissiper toute l'énergie des 80 cellules cylindriques en parallèle. Il pourrait en résulter une très forte chaleur dans le module, avec des effets désastreux tels qu'un incendie.
Pour éviter cela, les grands fabricants tels que Tesla utilisent des processus de production sophistiqués qui permettent aux cellules d'être connectées en parallèle par une sorte de fusible. En cas de court-circuit d'une cellule, le "fusible" s'éteint et la sécurité de la batterie n'est pas compromise.

Malheureusement, aucun des fabricants de batteries lithium-ion sur le marché industriel ne dispose de ce type de technologie. En raison de ces aspects négatifs, nous évitons ce type de cellules chez NCPOWER.

Les cellules stratifiées, qu'est-ce que c'est et quels sont leurs avantages et inconvénients ?

Les piles stratifiées ou en sachet sont un type de pile au lithium qui diffère des piles cylindriques par son format et sa construction. Au lieu d'avoir une enveloppe métallique cylindrique, ces cellules sont composées d'une feuille souple qui sert de contenant et de séparateur pour les composants internes.

Dans les cellules stratifiées, les composants actifs, tels que la cathode, l'anode et l'électrolyte, sont placés entre deux couches de matériau souple, généralement des polymères stratifiés tels que le polyester ou le polymère de polyoléfine. Ces couches souples scellent les composants et empêchent les fuites ou les réactions indésirables. Des couches d'étanchéité supplémentaires sont utilisées pour protéger la cellule de l'humidité et de l'air extérieur.

Avantages des cellules à poche

Les piles au lithium laminées ou en pochette présentent certains aspects positifs de leur technologie. En voici quelques-uns :

• Densité énergétique élevéeLes piles à bagues ont une densité énergétique élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker une grande quantité d'énergie dans un espace relativement restreint. Cette caractéristique est particulièrement importante dans les applications nécessitant une longue durée de vie de la batterie ou une puissance élevée, comme dans les véhicules électriques ou les appareils électroniques portables.

• Faible coût du logementPar rapport aux cellules cylindriques, les cellules à poche ont généralement un coût de logement plus faible. En effet, le processus de fabrication des cellules à poche est moins complexe et utilise des matériaux moins coûteux que les enveloppes métalliques des cellules cylindriques. Par conséquent, les cellules à poche peuvent offrir une solution plus économique pour le stockage de l'énergie.

• Gamme de capacités disponiblesSur le marché, il existe une grande variété de piles à poche de différentes capacités. Elles vont de quelques centaines de mAh (milliampères-heure) à environ 20 Ah, bien que les fabricants dépassant ce seuil soient moins courants. Les concepteurs et les fabricants disposent ainsi d'un éventail d'options pour répondre aux différentes exigences en matière de puissance et de taille d'application.

Exemple de cellules boursières

Inconvénients des cellules à poche

Les piles au lithium laminées ou en sachet présentent certains aspects négatifs liés à leur fragilité et à leurs limites en termes d'emballage et de capacité. 

Certains de ces aspects sont détaillés ci-dessous :

• Fragilité de l'enveloppeL'enveloppe des cellules en sac est plus susceptible d'être endommagée et cassée que celle des cellules cylindriques, car elle est composée de matériaux souples. Même une légère pression, comme l'utilisation d'un ongle, peut endommager le boîtier de manière irréversible. Cela peut être problématique dans les environnements où la batterie est exposée à des chocs ou à des conditions défavorables.

• Limites du système d'emballageL'emballage des cellules de sacs nécessite une conception minutieuse afin d'éviter toute contrainte ou déformation des cellules individuelles. Les vibrations, l'écrasement ou la déformation peuvent compromettre l'intégrité des cellules et affecter leurs performances et leur durée de vie. En outre, en raison de la nature flexible des cellules en sachet, il peut être compliqué, voire impossible, de développer des modules personnalisés pour des applications spécifiques.

• Capacité moyenne-faibleLes cellules Bag ont généralement une capacité moyenne à faible par rapport aux autres formats de cellules au lithium. Cela signifie que plusieurs cellules en parallèle seraient nécessaires pour obtenir une capacité suffisante dans les applications industrielles. Cependant, cela peut affecter la sécurité de la batterie et augmenter la complexité du système d'équilibrage et de gestion de la charge.

• Difficulté à remplacer les cellules individuellesComme pour les cellules cylindriques, les cellules en sac sont également connectées en série ou en parallèle par soudure. Il est donc pratiquement impossible de remplacer une cellule individuelle sans remplacer l'ensemble du module. Cela peut s'avérer coûteux et entraîner des temps d'arrêt en cas de défaillance d'une cellule.

Cellules prismatiques

Le type prismatique est un autre format courant de piles au lithium. Elles se caractérisent principalement par un boîtier solide et des bornes soudées.

Avantages des cellules prismatiques

Les cellules prismatiques offrent plusieurs avantages importants par rapport aux autres formats de cellules au lithium. Certains de ces avantages sont détaillés ci-dessous :

• Boîtier durableLes cellules prismatiques ont un boîtier robuste et durable, ce qui les rend adaptées à la production de batteries personnalisées. Leur robustesse leur permet de résister à des conditions difficiles et de minimiser la nécessité d'études et d'essais coûteux et compliqués sur les contraintes mécaniques.

• Capacité élevée des éléments individuelsLes cellules prismatiques peuvent atteindre des capacités élevées dans les cellules individuelles, jusqu'à 300 Ah dans une seule cellule. Cette capacité élevée est particulièrement précieuse pour la création de batteries de grande capacité, notamment sur le marché industriel, car elle permet d'éviter l'utilisation de plusieurs cellules en parallèle. Cela permet non seulement de simplifier la conception et l'assemblage, mais aussi d'améliorer considérablement la sécurité de l'ensemble de la batterie.

• Visser les poteauxLes cellules prismatiques ont souvent des bornes à vis sur leurs terminaux, ce qui les rend plus faciles à assembler et permet un remplacement plus aisé des éléments, même sur place. Cela réduit la complexité et le temps de maintenance en cas de défaillance d'une cellule, puisqu'elle peut être remplacée sans avoir à démonter l'ensemble de la batterie.

Ces avantages font des cellules prismatiques une option attrayante pour une variété d'applications, en particulier celles qui nécessitent une capacité élevée et un assemblage personnalisé. Cependant, il est également important de prendre en compte les limites et les défis associés à ce format de cellule.

Inconvénients des cellules prismatiques

L'un des inconvénients des piles au lithium prismatiques est que leur densité énergétique élevée peut être légèrement inférieure à celle d'autres formats de piles, comme les piles cylindriques. Cela est dû en partie au type de boîtier de confinement utilisé dans les piles prismatiques.

Le boîtier solide et robuste des cellules prismatiques, tout en offrant des avantages en termes de durabilité et de facilité d'assemblage, peut prendre plus de place que les cellules cylindriques, ce qui peut affecter la densité énergétique globale de la batterie. Cela signifie qu'un volume légèrement plus important est nécessaire pour stocker la même quantité d'énergie que les cellules cylindriques de dimensions similaires.

Cependant, il est important de noter que les cellules prismatiques sont toujours capables de fournir des niveaux significatifs d'énergie et de capacité, et sont largement utilisées dans une variété d'applications. Le choix du format de cellule approprié dépendra des besoins spécifiques de l'application, en tenant compte de facteurs tels que la capacité requise, l'espace disponible, la conception du bloc-batterie et d'autres exigences techniques et de performance.

Exemple de cellules prismatiques

	Cylindrique	De la bourse	Prismatique
Avantages	Boîtier durableFlexibilité dans la chimie cellulaireGrande disponibilité	Densité énergétique élevéeFaible coût de logementGamme de capacité disponible	Boîtier durableGrande capacité des éléments individuelsPostes à vis
Inconvénients	Faible capacité des cellules individuellesAssemblage soudéDiminution de la sécurité de l'emballage	Fragilité du boîtierLimitations du système d'emballageCapacité moyenne-faibleDifficulté de remplacement des cellules individuelles	Densité énergétique légèrement inférieure en raison de la boîte de confinement Volume et taille de la batterie supérieurs
Utilisations	Les cellules cylindriques sont généralement utilisées dans les petites batteries au lithium (<2kWh), par exemple pour les vélos électriques, les tournevis, les outils de jardinage, etc.) Seule Tesla les utilise dans le secteur automobile.	Les piles à bagues sont principalement produites à l'aide de la chimie NMC et sont particulièrement utilisées dans les applications de haute puissance (haute tension et faible capacité) ou dans les applications où une réduction de volume est nécessaire, par exemple les motos électriques ou les voitures électriques.	Les cellules prismatiques sont utilisées pour les piles au lithium dans le secteur de l'automobile. secteur industriel  et dans le  l'industrie automobile pour produire des batteries de taille moyenne et grande.

Quelles sont les meilleures pour les véhicules électriques ?

NCPOWER a choisi cellules prismatiques  pour ses piles, précisément en raison de leurs grands avantages. Ces cellules offrent un bon rapport densité d'énergie/densité de puissance, ce qui les rend adaptées aux applications nécessitant des capacités élevées et une fourniture d'énergie soutenue.

Ils nous permettent d'obtenir des performances de haute qualité dans les applications de véhicules électriques et dans le secteur automobile.  une technologie de pointe pour le lithium en Espagne.