Profiter d'une plus longue autonomie de la batterie grâce à la bonne composition chimique au lithium

Une longue autonomie de la batterie est importante dans les applications comme l'Internet des objets (IoT), les nœuds de capteurs sans fil (WSN), les compteurs intelligents, les outils électriques, les dispositifs médicaux portables et l'éclairage LED portatif. De plus en plus souvent, la clé pour bénéficier de cette longue autonomie consiste à choisir une composition chimique de batterie au lithium (Li), mais laquelle ? Les compositions chimiques primaires comme les solutions lithium/disulfure de fer (Li/FeS₂), lithium/dioxyde de manganèse (LiMnO₂) et lithium/chlorure de thionyle (Li-SOCl₂) peuvent offrir des autonomies de plusieurs années, mais conviennent à des applications différentes. Par ailleurs, l'autonomie d'une batterie dépend d'autres facteurs que sa composition chimique : elle est aussi liée à la construction de la batterie, aux schémas de consommation énergétique, etc.

Le meilleur choix dépend de l'application : votre application a-t-elle besoin d'une longue durée de conservation ? De faibles décharges sur une période prolongée ? D'intensités de décharge élevées après de longues périodes d'inactivité ? Les réponses à ces questions, entre autres, vous aideront à déterminer quelle batterie choisir pour bénéficier d'une longue autonomie.

Examinons les compromis entre décharge par impulsions et décharge continue, densité d'énergie, température de fonctionnement et détails de construction en prenant des exemples de batteries réelles d'Energizer, de Zeus Battery Products, de Jauch Quartz et de Tadiran.

Li/FeS₂ pour des intensités de décharge élevées et une longue durée de conservation

Les batteries Ultimate Lithium d'Energizer se différencient des batteries alcalines de la marque en termes de composition chimique et de construction. La composition Li/FeS₂ offre une bonne capacité. Par ailleurs, grâce à leur construction en spirale qui offre 20 fois plus de surface qu'une pile alcaline traditionnelle, ces batteries présentent des capacités supérieures et peuvent supporter des intensités de décharge élevées (Figure 1).

Figure 1 : Profiles de décharge de la batterie L92 Li/FeS2 AAA à trois intensités de décharge différentes (à gauche) et capacité en fonction du courant de drain de la batterie L92 par rapport à une pile alcaline traditionnelle (à droite). (Source de l'image : Energizer)

Par exemple, la pile AAA L92 de 1,5 volt présente une capacité nominale de 1,2 ampère-heure (Ah), supporte une intensité de décharge continue maximale de 1,5 A et peut produire des impulsions jusqu'à 2,0 A pendant 2 secondes (s). La batterie L92 a une durée de conservation de 20 ans à 21°C et présente une plage de températures de fonctionnement comprise entre -40 et +60°C. Cette combinaison de spécifications rend ces batteries particulièrement utiles dans les applications à drain élevé comme les manettes de jeux, les unités de système de positionnement mondial (GPS), les lampes torches LED, les jouets motorisés et télécommandés, et les niveaux laser.

LiMnO₂ pour une puissance faible à modérée

Si votre conception a besoin de courants modérément élevés après des périodes d'inactivité prolongées, les batteries LiMnO₂ sont peut-être la meilleure option pour vous. Les applications concernées incluent les contrôles d'accès, les émetteurs de localisation d'urgence, les bouées sonores, les systèmes de surveillance d'environnements dangereux et les dispositifs de suivi par identification par radiofréquence (RFID). Même après de longues périodes d'inactivité, ces batteries produisent des impulsions de courant instantanées, car les électrodes de ces piles ne forment pas de couche de passivation.

Les batteries LiMnO₂ peuvent fournir 3,0 volts avec une courbe de décharge relativement plate et peuvent supporter des impulsions de courant modérées (Figure 2). Par exemple, la batterie LiMnO₂ CR-2 de Zeus présente une capacité de 800 milliampères (mA) et un taux d'autodécharge de moins de 3 % par an à 20°C, et peut supporter des charges d'impulsion de 900 mA pendant 3 s. Tout comme les piles Li/FeS₂ Ultimate Lithium d'Energizer, ces batteries LiMnO₂ présentent une plage de températures de fonctionnement de -40 à +60°C.

Figure 2 : Les piles LiMnO2 présentent une courbe de décharge plus plate que les piles Li/FeS2 et peuvent fournir des courants faibles à modérés pendant de longues périodes. (Source de l'image : Zeus Battery Products)

Li-SOCl₂ pour une densité d'énergie élevée et une faible puissance pendant de longues périodes

Contrairement aux batteries LiMnO₂, les piles Li/SOCl₂ forment une couche de passivation qui entraîne une très faible autodécharge. Cela leur permet d'être inactives pendant de longues périodes avec une perte minimale quant à leur capacité. Cependant, cette passivation ralentit également le flux de courant lorsque la batterie commence à se décharger, ce qui limite la capacité de puissance de crête immédiate. La couche de passivation s'estompe en cas de décharge continue, mais réapparaît si la batterie redevient inactive.

En ce qui concerne votre conception, cela signifie que les batteries Li/SOCl₂ sont particulièrement adaptées aux applications basse consommation à fonctionnement continu, comme les capteurs IoT sans fil, les compteurs d'eau, de gaz et d'électricité, les dispositifs de sécurité sans fil et les systèmes de suivi.

Les batteries Li-SOCl₂ sont disponibles dans des constructions en spirale ou en bobine. Les piles de type bobines fournissent des densités d'énergie considérablement plus élevées et sont parfois appelées « cellules énergétiques ». Les piles en spirale fournissent des courants continu et de crête supérieurs, et sont appelées « cellules de puissance ». Les deux types fournissent une sortie nominale de 3,6 volts et présentent des courbes de décharge plates (Figure 3).

Figure 3 : Les batteries Li/SOCl2 présentent une courbe de décharge plus plate que les batteries LiMnO2 et Li-SOCl2, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications basse consommation à fonctionnement continu. (Source de l'image : Jauch)

Les piles de type bobines peuvent fournir des densités d'énergie jusqu'à 710 wattheures par kilogramme (Wh/kg). Parmi les batteries Li-SOCI₂ de type bobines, citons par exemple la batterie 1/2AA ER14250J-S de Jauch avec une capacité de 1,2 Ah et une plage de températures de fonctionnement de -60 à +85°C, et la batterie AA TL-5903/T de Tadiran avec une capacité de 2,4 Ah et une plage de températures de fonctionnement de -55 à +85°C.

Conclusion

Parmi les trois compositions chimiques étudiées ici, la batterie Li/FeS₂ peut supporter les taux de décharge et les courants d'impulsions les plus élevés, mais avec sa tension de fonctionnement de 1,5 volt, elle présente une densité d'énergie inférieure. À l'autre extrémité du spectre, les batteries Li/SOCl₂ conviennent à la fourniture à long terme de niveaux de puissance faibles et offrent la densité d'énergie la plus élevée. Les batteries LiMnO₂ constituent un intermédiaire en termes de densité d'énergie et conviennent aux applications qui nécessitent des niveaux de puissance faibles à modérés pendant de longues périodes et qui ont besoin de temps en temps de pointes de puissance immédiates.

Bien sûr, il existe de nombreux autres facteurs à prendre en compte pour bénéficier d'une longue autonomie de la batterie dans une application, mais le fait d'étudier les différentiateurs clés des compositions chimiques Li populaires constitue un bon point de départ.