Comment est-ce possible? Chaque fabricant de batteries Li sous le soleil veut créer des batteries rechargeables rapidement, c'est donc un sujet de recherche brûlant.
Il n'y a pas de définition standard pour les cellules à débit élevé, mais les directives de conception de base dictent que les cellules standard à base d'oxyde de cobalt peuvent prendre en charge un courant continu de 2 ou peut-être de 3 degrés. Les cellules à haut drain à base d'oxyde de cobalt supportent à peu près le double de ces courants, mais seulement pendant quelques secondes. Les nouvelles cellules à haut drain supportent 20 C en continu.
Étant donné qu'une cellule à haut débit de décharge peut supporter des décharges à courant élevé sur une très courte période, en théorie, un chargeur de batterie pourrait charger complètement cette cellule en un temps tout aussi court. Mais pour profiter de cette possibilité, la conception conventionnelle du chargeur de batterie doit être modifiée. Par souci de simplicité, ces changements peuvent être illustrés par l'exemple d'un chargeur à une seule baie prenant en charge un bloc-batterie à une cellule.
Caractéristiques des cellules
En surface, les cellules Li-ion à charge rapide semblent simples. Il semble que l'on puisse simplement augmenter le courant délivré pendant la phase à courant constant du cycle de charge. Cependant, comme le montre le tableau, le temps de charge global n'est pas significativement diminué lorsque le courant passe de 1 C à des taux plus élevés.
La différence de temps de charge avec un taux 2-C par rapport à un taux 3-C n'est que d'environ une minute, quel que soit le fournisseur de la cellule. Essentiellement, les cellules atteindront simplement la coupure de tension supérieure plus rapidement, mais le temps en mode de charge à tension constante sera beaucoup plus long. De toute évidence, cela augmente le potentiel d'endommagement de la batterie en raison d'une surtension. La résistance des cellules Li-ion traditionnelles les fera chauffer davantage lors de charges plus rapides, de sorte que les cellules commenceront à se décomposer. Une charge rapide réduit considérablement le cycle de vie de la batterie.
Concevoir une cellule qui peut accueillir des taux de décharge et de charge élevés est un effort pour réduire la longueur du trajet et la résistance pour le transport des ions et des électrons. La figure 1 montre une coupe transversale d'une cellule cylindrique Li-ion typique. Les changements commencent avec les matériaux actifs de la batterie. Les cellules Li-ion traditionnelles sont basées sur un composé cathodique lithium-oxyde de cobalt (LiCoO2). Dans ce matériau, les ions Li, qui diffusent à l'intérieur et à l'extérieur de la cathode, ne peuvent être insérés que par des chemins 2D dans la structure cristalline.
La longueur du trajet peut être raccourcie en modifiant la morphologie physique du matériau actif de la batterie ou en modifiant la structure chimique du matériau, ou en faisant les deux. Une approche pour résoudre le problème physiquement consiste à réduire la taille des particules des matériaux à une échelle aussi petite que nanométrique. De nouvelles chimies telles que le spinelle de manganèse (LiMn2O4) offrent des voies tridimensionnelles pour l'insertion ionique.
En plus de ces changements, la résistance des cellules doit être abaissée en utilisant des matériaux minces, en augmentant la quantité de collecteurs de courant, en augmentant la concentration en électrolyte et en réduisant sa viscosité avec des solvants. Beaucoup de ces changements suggèrent que les cellules Li-polymère, qui peuvent être très minces, se prêtent à une utilisation dans la conception à des taux élevés.
Les fabricants de cellules Li-ion ont expérimenté leurs formulations afin de mettre en œuvre des conceptions spécifiques aux applications à haut débit. Quelques fabricants ont trouvé des solutions. E-One Moli Energy a présenté une cellule à haut débit de décharge basée sur un matériau de cathode en spinelle de manganèse pour les outils électriques sans fil.
