La technologie Lithium
Pour comprendre la technologie d’une batterie au Lithium, il faut se rapprocher de la batterie au plomb. Cette dernière est constituée de grilles de plomb (une positive et une négative) séparées par un isolant, puis plongées dans une solution d’acide (électrolyte). Lorsque la batterie est chargée, il y a équilibre entre les composants chimiques des plaques et l’électrolyte. Lorsque l’on rompt cet équilibre en branchant aux bornes de la batterie un consommateur, l’électrolyte se combine aux plaques et se transforme en eau. La batterie se vide. Pour lui redonner sa capacité, il faut lui réinjecter du courant (alternateur, chargeur, panneau solaire, éolienne, etc.). Sur une batterie au Lithium, la réaction est fondée non plus sur le plomb mais sur le Lithium. Les quatre principales technologies sont : le NMC (nickel-manganèse-cobalt), le LMO (oxyde de manganèse), le NCA (nickel-cobalt-aluminium) et le LFP ou LiFePo4 (phosphate de fer lithié). Actuellement, c’est cette dernière qui a été retenue pour le secteur industriel et le transport dont les bateaux. Bien qu’elle produise une tension (3.3 volts) plus faible que les autres technologies, elle a comme avantages d’avoir : une utilisation sécurisée, une forte tolérance de charge et un prix de revient moins élevé grâce à l’utilisation de composants moins onéreux. Sur une LFP, la cathode est du phosphate de fer (peu cher) qui ne dégage pas d’hydrogène, il n’y a donc pas de risque d’explosion ni d’émission de gaz toxiques. Quant à sa durée de vie, elle est importante. Son seul inconvénient est qu’elle doit posséder un système de régulation et de sécurité BMS (Battery Management System) qui est généralement intégré dans la batterie.
Leur fonctionnement peut s’assimiler à une batterie AGM. Les deux éléments principaux sont la cathode (phosphate de fer lithié) avec un collecteur en aluminium, l’anode en graphite avec un collecteur en cuivre, reste l’électrolyte qui est un polymère gélifié. Lorsque l’on charge la batterie, il y a changement d’état de la cathode qui entraine une formation de graphite à l’anode. Lors de la décharge, le processus s’inverse. La tension d’une cellule est voisine de 3.3 volts. A l’inverse des batteries au plomb, la capacité ne varie pas avec l’intensité de décharge.
Les six points forts des batteries au Lithium sont :
- Une durée de vie 5 à 10 fois supérieure à des batteries conventionnelles au plomb.
- Une capacité importante sous un faible volume.
- La possibilité de décharge à 100%.
- Un faible taux d’autodécharge (décharge lorsque l’on ne l’utilise pas).
- Une recharge rapide.
- La capacité reste constante en fonction du courant de décharge.
Points faibles des batteries au Lithium
Tous les éléments qui composent une batterie au Lithium sont chimiquement instables. Etant donné la forte énergie présente, un élément capable de contrôler et de stabiliser la batterie est nécessaire. Ce dernier, appelé BMS (Battery Managing System), est composé d’une carte électronique placée dans la partie supérieure de la batterie. Il doit être fiable pendant toute la durée de vie de la batterie et s’adapter aux systèmes externes de recharge (chargeur, alternateur, solaire, etc.). Les constructeurs de chargeurs l’ont bien compris, ils proposent des chargeurs adaptés qui, sur certains modèles, peuvent s’interfacer avec les batteries via un bus (réseau CAN). Ce bus permet de raccorder de nombreux équipements qui communiquent entre eux. Ce système que l’on retrouve sur les installations importantes n’est pas une obligation. On peut très bien effectuer la recharge à partir d’un chargeur dédié possédant une sortie adaptée aux batteries LFP.
Quel chargeur pour les batteries au Lithium ?
Les anciennes générations de chargeurs à transformateurs lourds et encombrants, que l’on trouve encore dans le domaine automobile et dans les magasins de bricolage, ont pratiquement disparu du domaine maritime. Ils sont remplacés par des modèles à découpage plus légers, plus fiables permettant de mieux contrôler la charge. On trouve également des modèles, dits à résonnance LLC à haut rendement. Ces nouveaux modèles (découpage et LLC) ont l’avantage d’être insensibles à la tension d’entrée (230 volts) ce qui est important car la tension délivrée par les bornes de quai n’est pas toujours de 230 volts. Les batteries au Lithium acceptent un courant de charge important, il peut être égal à sa capacité, par exemple une batterie de 100 Ah complètement déchargée peut être remise à niveau en moins d’une heure à la condition que le chargeur puisse fournir le courant nécessaire. La majorité des chargeurs de nouvelles générations possèdent une sortie dédiée aux batteries au Lithium respectant la courbe de charge spécifique à ces dernières. Reste la puissance, pour les batteries standards (électrolyte liquide ou AGM), on prend un modèle pouvant délivrer un courant de charge de l’ordre de 10 à 15 % de la capacité de la batterie. Par exemple, pour une de 200 Ah, un chargeur de 20 à 30 ampères. Pour une batterie au Lithium, on peut aller jusqu’à la capacité de la batterie (200 ampères) et recharger rapidement. Pour autant, si votre chargeur possède une sortie Lithium, il n’est pas impératif de le changer, mais le temps de charge sera plus long.
Le prix ? Important, mais plusieurs critères sont à prendre en compte
Si on souhaite changer de batteries, plusieurs critères sont à prendre en compte, il ne faut pas s’arrêter au prix. Prenons un exemple concret, sur un bateau équipé de deux batteries AGM de 100 Ah. Le prix moyen d’une AGM est de l’ordre de 350 euros soit un coût total d’environ 700 euros. Celui d’une au Lithium de 100 Ah est de 1000 euros soit un coût total de 2000 euros. En ne raisonnant qu’en prix, l’AGM est trois fois moins onéreuse. En pratique, sur une batterie traditionnelle (AGM), on ne peut utiliser que 70% maximum de la capacité avant de la recharger. Sur une au Lithium, on peut utiliser 100% sans risque et effectuer une recharge très rapide. Une batterie au plomb est donnée pour un nombre de cycles compris entre 300 et 500, sur une au Lithium de qualité, il est donné pour plus de 3000 à une décharge de 100%, 5000 à 80% et 10.000 à 65%. Dans notre exemple, sur les deux batteries AGM (200 Ah) nous n’avons que 100 Ah de disponible (50%). En pratique les deux AGM peuvent être remplacées par une seule de 120 Ah au Lithium tout en disposant d’autant de capacité et avec une durée de vie beaucoup plus longue.
Câblage et visualisation
Le câblage est identique à celui des batteries au plomb et l’encombrement sensiblement le même, pour une AGM de 100 Ah il est de 368 x 172 x 219 mm, pour une au Lithium de 318 x 165 x 215 mm. Le BMS gère non seulement la charge/décharge de la batterie, mais il permet de visualiser en Bluetooth l’état de la batterie sur un smartphone ou une tablette à l’aide d’une application gratuite. Elle vous indique toutes les données telles que l’état de chaque élément de la batterie, son état de charge global, la capacité, la température, etc.
La sécurité : l’avis de Wattforfun
Nous avons demandé à Daniel Didiot, spécialiste de l’énergie depuis de nombreuses années et importateur des batteries au Lithium de son partenaire allemand BVD de nous en parler. Ce spécialiste allemand fournit, entre autres, à ce jour Pieper dans le domaine du nautisme et Hymer dans le terrestre (mobil home). Pour la sécurité dans le domaine du nautisme, les 4 points qu’il faut prendre en compte sont :
- Le voltage. On a tendance à comparer l’automobile et le nautisme. Ce n’est pas la même utilisation. En automobile, les tensions utilisées sont importantes de 400 à 700 volts. En nautisme plaisance, on est en 12 volts ou 24 volts et en nautisme professionnel, on est au maximum à 48 volts.
- Le contrôle. Les batteries sont intégralement contrôlées par le BMS : transport, utilisation, entretien (charge), etc. Il assure la sécurité. En cas de dysfonctionnement, par exemple un échauffement, la batterie est instantanément déconnectée.
- La technologie. Celle retenue est le Lithium Ferro Phosphate qui est moins sensible que le Lithium associé au Nickel Cadmium ou à l’aluminium.
- L’étanchéité. Les batteries sont protégées suivant les normes IP56 à IP65. En cas d’immersion, si l’eau entre dans la batterie, il y a court-circuit et elle est déconnectée. C’est la même réaction en cas de surcharge.
Notre avis
Si vous devez changer votre parc batterie, il faut savoir que les modèles dits ouvertes (avec bouchons) sont déconseillés. Les technologies fermées à électronique liquide avec bien souvent un voyant de charge sont toujours d’actualité de même que celles au gel et AGM. Pour le Lithium, si le prix semble élevé à capacité égale par rapport aux autres technologies, il faut le ramener à la durée de vie plus longue du faite d’un nombre de cycles plus élevés, à la capacité disponible plus importante et à la recharge rapide. En prenant en compte tous ces éléments, le prix devient compétitif.
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