Systèmes embarqués : Batterie au lithium fer phosphate vs Lithium-ion

Zachariah Peterson
|  Créé: May 26, 2017  |  Mise à jour: November 27, 2020

Les batteries lithium-ion (Li-Ion) et les batteries lithium-fer-phosphate (Li-phosphate ou LiFePO4) sont les deux options les plus populaires pour les systèmes embarqués. Ces deux types de batteries ont des caractéristiques de charge et de décharge très différentes, bien qu'elles aient une chimie similaire et quelques matériaux identiques. Dans certains systèmes, vous pouvez utiliser n'importe quel type de batterie, mais chacun a ses avantages selon les applications, qui peuvent dépendre du taux de décharge, du taux de charge requis, de la capacité souhaitée et de la durée de vie du cycle.

Si vous souhaitez choisir la bonne batterie pour votre prochain système embarqué, vous devrez tenir compte de ces caractéristiques électriques, ainsi que du coût et de la taille physique des différents types de batteries disponibles sur le marché. Voici ce que vous devez savoir lorsque vous comparez des batteries au lithium-ion et au lithium-fer-phosphate.

Batteries lithium-fer-phosphate ou lithium-ion

Ces matériaux pour les piles au lithium ont des caractéristiques qui se chevauchent. La chimie de chacun de ces types de piles est similaire, tout comme les matériaux utilisés pour les fabriquer. Le fonctionnement de ces deux types de batteries est basé sur des réactions électrochimiques réversibles impliquant des ions de lithium. Elles devraient donc toutes deux être appelées batteries Li-ion (les personnes que j'ai rencontrées dans l'industrie des matériaux pour batteries ne font même pas la distinction). Cependant, ils présentent des différences importantes qui les ont amenés à être placés dans des catégories différentes, même si le matériau de leur batterie lithium-ion est similaire.

Ces deux types utilisent une anode en graphite, qui peut stocker efficacement des quantités assez importantes ions de lithium pendant la charge. La différence n'est pas dans l'anode, mais dans l'interaction avec les ions de lithium dans la cathode. L'étape de limitation du débit dans les piles lithium-ion par rapport aux piles lithium-fer-phosphate est la désorption et la réduction ultérieure à la cathode, ce qui explique les différences de capacité, de taux de décharge et de tension de sortie. Le lithium-fer-phosphate est un nouveau type de batterie qui est de plus en plus reconnu dans les industries manufacturières pour ses matériaux moins toxiques et moins chers, et sa stabilité à haute température.

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Voyons si lequel des deux vous convient le mieux... Batterie lithium-fer-phosphate ou lithium-ion ? 

Si vous lisez ceci sur un nouveau smartphone ou ordinateur portable, alors vous pouvez très probablement remercier une batterie lithium-polymère ou lithium-ion, respectivement. Voici quelques-unes des principales différences entre les batteries au lithium-fer-phosphate et les batteries Li-ion :

Li-Ion

Lorsque la plupart des gens font référence aux batteries "Li-ion", ils pensent à tous les types de batteries lithium-ion. Le dioxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) est le type le plus courant pour les applications grand public. Ce matériau cathodique est commun à ces types de piles au lithium. Voici quelques-unes des spécifications typiques des cellules de batterie Li-ion :

  • Tension : 3.6 V nominal, 3.0 V- 4.2 V.
  • Énergie spécifique : 150-200 Wh/kg
  • Taux de charge : 0.7 C - 1 C. Une charge supérieure à 1 C entraîne la croissance de la couche d'interphase d'électrolyte solide (SEI) sur l'anode pendant la charge, ce qui piège le lithium et réduit la capacité au fil du temps. C'est une des principales causes de diminution de la capacité des piles au dioxyde de lithium-cobalt.
  • Taux de décharge : 1 C. Ce taux “C” rate ne vous est peut-être pas familier. Cela signifie que si une batterie a une capacité nominale de 2400 mAh, alors elle peut se décharger avec un courant maximum de 2,4 A sans être endommagée.
  • Durée de vie : 500-1 000 cycles. La durée de vie dépend largement de la température de fonctionnement, de la profondeur de décharge (DoD) et du taux de charge (voir ci-dessus).
  • Fuite thermique : 150 °C. Ce facteur est la cause des feux ou des explosionsde batteries Li-Ion.
  • Plage de température pour le taux de charge maximal : 0-40 °C
  • Plage de température de décharge : -25-60 °C. Notez que le dioxyde de lithium-cobalt se charge et se décharge extrêmement lentement à basse température.

Lithium-fer-phosphate

Une batterie au lithium-fer-phosphate a une cathode en phosphate de fer. Ces batteries ont tendance à avoir une tension de sortie et une énergie spécifique plus faibles que les batteries au lithium-cobalt. Cependant, elles ont un taux de décharge et une durée de vie beaucoup plus élevés :

  • Tension : 3.2 ou 3.3 V nominal, 2.5-3.65 V.
  • Énergie spécifique : 90-120 Wh/kg
  • Taux de charge : 1 C
  • Taux de décharge : 1-25 C, possiblement avec des impulsions à 40 A.
  • Durée de vie : 1 000-10 000 cycles, dépend fortement de la température.
  • Fuite thermique : 270 °C
  • Plage de température pour le taux de charge maximal : 0-45 °C
  • Plage de température de décharge : -20-60 °C.

Comparaison

Lorsque l'on compare les cellules des batteries au lithium-fer-phosphate à celles des batteries Li-ion, on constate immédiatement que les batteries Li-ion ont une énergie spécifique plus élevée, mais un taux de décharge plus faible. Cela signifie que le Li-ion est un bon choix pour les appareils portables gourmands en énergie qui ont besoin d’un flux constant de courant à une tension relativement faible. Le taux de décharge plus élevé des batteries au lithium-fer-phosphate signifie qu'elles peuvent fournir de grandes quantités de courant en cas de besoin et être ensuite rapidement rechargées. Le courant de décharge entre en jeu dans des applications telles que des moteurs électriques. Le faible taux de courant de décharge du Li-Ion, de 1 C, pâlit par rapport au lithium-fer-phosphate qui peut atteindre 25 C.

En plus de la durée de vie généralement plus longue, la différence importante entre ces deux types de batteries est visible dans la spécification de l'emballement thermique. L’emballement thermique est un des modes de défaillance de toute batterie lors d'une décharge et d'une recharge rapides. Lors de l'emballement thermique, la vitesse à laquelle la chaleur est produite en raison de la résistance terminale dans les électrodes dépasse la vitesse à laquelle elle est dissipée dans l'environnement. Lorsque la température interne de la batterie dépasse la température d'emballement, l’emballement thermique se déclenche.

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Défaillance catastrophique d'une batterie Li-Ion pour système embarqué.

Comme le lithium-fer-phosphate a une température d'emballement thermique plus élevée, il peut être utilisé dans des environnements plus chauds avec moins de risques. Elle présente un autre avantage en ce qui concerne les matériaux utilisés dans la cathode. Comme vous l'avez peut-être remarqué, les piles au dioxyde de lithium-cobalt contiennent du cobalt, qui est très toxique et suscite des questions éthiques sur l'approvisionnement.

Le contenu énergétique élevé de la Li-Ion la rend vulnérable à des risques, incluant des explosions. Les multiples modes de défaillance rendent difficile une protection efficace contre tous les risques pendant l’utilisation des batteries Li-Ion. Dans des domaines comme l'électronique de poche, la durée de vie dépend de la fréquence à laquelle l'utilisateur vide et recharge son appareil. L’utilisation de la batterie et sa gestion restent donc entre les mains d'un utilisateur final qui n'a aucune connaissance des modes de défaillance de la batterie. Certes, ce genre d'échec est peu probable, mais il vaut mieux être sûr que désolé. Elle a une densité énergétique plus faible et une chimie plus stable. Ces caractéristiques signifient que la batterie ne brûlera pas, même si elle tombe en panne. Dans l'ensemble, les piles lithium-fer-phosphate sont beaucoup plus sûres que les piles au lithium-ion.

Malgré la sécurité et le taux de décharge élevé pour le lithium-fer-phosphate par rapport aux batteries Li-ion, une batterie Li-ion peut simplement stocker plus de puissance par kg de batterie, mais pas parce que l'anode stocke nécessairement plus de lithium. Lorsque vous concevez des appareils électroniques portables, la taille est importante. Les batteries Li-Ion peuvent stocker jusqu'à deux fois plus d'énergie par kg que le lithium-fer-phosphate. Cela fait une grande différence lorsque vous essayez d'atteindre des objectifs stricts en matière d'espace et de capacité des batteries.

Applications

Si vous êtes une personne plus stable qui recherche la sécurité et la fiabilité, ou si vous travaillez dans un secteur où la sécurité et la fiabilité sont des préoccupations primordiales, le lithium-fer-phosphate est un choix approprié pour les piles rechargeables. Cette technologie est préférable pour diverses applications, telles que les véhicules électriques (VE) ou les instruments médicaux où une défaillance catastrophique n'est pas envisageable. Les moteurs des VE bénéficieront également du taux de décharge élevé des batteries au lithium-fer-phosphate.

Peut-être êtes-vous un peu plus à la limite et vous souhaitez vivre aussi intensément que possible. Si vos appareils vous imitent, ils auront besoin d'une batterie Li-Ion. Les téléphones portables, les ordinateurs et les appareils photo ont besoin de tout le courant possible. Ils ont aussi généralement une durée de vie d'environ 2 ans, que Li-Ion peut égaler ou dépasser.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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