15/04/2013 - L'effet de mémoire affecte également les batteries d'ion-litium

Menéame

Las batteries au lithium haute performance sont les dispositifs de stockage d’énergie utilisés dans de nombreux dispositifs électroniques commerciaux, car ils peuvent stocker beaucoup d’énergie dans un volume relativement faible.

On croyait aussi qu’ils n’avaient aucun effet de mémoire, c’est ainsi que les experts appellent une déviation dans la tension de la batterie qui peut limiter l’utilisation de l’énergie stockée, ainsi que la capacité à déterminer l’état de charge de la batterie de manière fiable.

Des scientifiques du PSI Paul Scherrer Institute, ainsi que des collègues des laboratoires de recherche de Toyota au Japon, ont découvert qu’un type largement utilisé de la batterie à ions lithium a un effet de mémoire. Il s’agit d’une découverte d’une importance particulière pour les progrès vers l’utilisation de batteries au lithium sur le marché des véhicules électriques.

Le travail a été publié aujourd'hui dans la revue scientifique Nature Materials.

Effet mémoire

Beaucoup de nos appareils d’utilisation quotidienne obtiennent leur alimentation en énergie d’une batterie, mais ce n’est pas toujours un processus aussi "intelligent" comme décrit dans les annonces, et ils ont souvent une sorte de mémoire. Par exemple, une machine à raser avec des piles ou une brosse à dents électrique qui est chargée avant que la batterie ne soit épuisée, plus tard, vous pouvez vous venger sur l’utilisateur. La batterie semble se rappeler qu’ils n’ont pris qu’une partie de leur capacité de stockage et, finalement, ne prête plus leur énergie totale.

Les experts se réfèrent à cela comme un "effet de mémoire ," qui se produit parce que la tension de fonctionnement de la batterie tombe au fil du temps, en raison de cycles incomplets de chargement et de déchargement. Cela signifie que même si la batterie est déchargée, la tension qu’elle fournit parfois est trop faible pour activer le dispositif en question.

L’effet de mémoire a donc deux conséquences négatives: premièrement, la capacité utilisable de la batterie est réduite, et deuxièmement, la corrélation entre la tension et l’état de charge se déplace, de sorte que cette dernière ne peut être déterminée de manière fiable sur la base de la tension.

L’effet de mémoire est connu pour affecter les batteries nickel-cadmium et nickel-méthal hydrure. Depuis que les batteries au lithium ont commencé à être commercialisées avec succès dans les années 1990, l’existence de l’effet de mémoire sur ce type de batterie avait été écarté. Incorrectement, tel qu’il est conclu par cette nouvelle étude.

CommeL’effet de mémoire apparaît: L’effet "mémoire" de la batterie est "écrit" dans un cycle avec une charge partielle (dans ce cas, 50 pour cent de la capacité de stockage de la batterie), suivi d’une décharge complète. Dans le cycle suivant, l’effet de mémoire est évident à travers une surtension, précisément au même moment où le cycle de charge partielle se termine. Crédit: Nature Publishing Group

Conséquences de l’effet mémoire des véhicules électriques et hybrides

L’effet de mémoire et son déviation de tension de travail conséquente a été confirmé à présent par l’un des matériaux les plus courants utilisés comme électrode positive dans les batteries à ions lithium, phosphate lithium-fer (LiFePO4).

Avec le phosphate lithium-fer, la tension reste pratiquement inchangée dans un large intervalle d’état de charge. Cela signifie que même une petite anomalie dans la tension de fonctionnement pourrait être mal interprétée comme un changement important dans l’état de charge. Ou, pour le dire autrement: lorsque l’état de charge est déterminé à partir de la tension d’une grosse erreur peut être causée par une petite déviation de la tension.

L’existence d’un effet de mémoire est particulièrement pertinente dans le contexte des étapes prévues vers l’utilisation de batteries au lithium dans le secteur de la mobilité électrique. Dans les voitures hybrides en particulier, l’effet peut se produire pendant les nombreux cycles de chargement / déchargement qui se produisent pendant leur fonctionnement normal. Dans ces véhicules, la batterie est partiellement chargée au cours de chaque opération de freinage du moteur, celui-ci étant ensuite utilisé en mode générateur.

De même, la batterie est partiellement déchargée pour assister le moteur pendant les phases d’accélération. Ces cycles successifs de chargement et de déchargement partiel, considérés comme de petits effets de mémoire individuellement, si ils ajoutent un effet de mémoire de grande taille dans leur ensemble, comme le montre l’étude. Cela conduit à une erreur dans l’estimation de l’état de charge actuel de la batterie, lorsque l’état du chargement est calculé sur la base de la valeur actuelle de la tension.

Pourquoi l’effet de mémoire apparaît-il ?

Les chercheurs pensent que la cause de l’effet mémoire est le mécanisme microscopique qui est derrière les processus de chargement et de déchargement.

Le matériau de l’électrode - dans ce cas, le phosphate de lithium-fer (LiFePO4) - se compose d’un grand nombre de petites particules de taille micrométrique, qui sont chargées et déchargées individuellement l’une après l’autre. Les modifications de la quantité de lithium associée à la charge et à la décharge peuvent entraîner une modification du potentiel chimique des particules individuelles, ce qui a une incidence sur la tension de la batterie.

Cependant, le chargement et le déchargement ne sont pas des processus linéaires. Au cours de la charge, le potentiel chimique augmente initialement, avec la libération progressive d’ions de lithium. Mais alors, les particules atteignent un critique de lithium-valeur de contenu (et potentiel chimique). À ce stade, il y a une transition brusque: les particules de renoncer à leurs ions de lithium restants très rapidement, mais elles ne sont pas autorisées à changer leur potentiel chimique.

C’est la transition qui explique pourquoi la tension de la batterie reste pratiquement inchangée dans une large gamme de tension.

Pour plus d’informations:

Memory effect now also found in lithium-ion batteries  (Phys.org)

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