Batterie lithium-ion

Batterie lithium-ion ou batterie acide plomb?

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Avantages de la chimie de la batterie acide plomb

Batteries are strange devices. Nobody wants them, but everybody needs them. They are only bought when required. How many people plan a trip to the local mall to window shop for batteries? They are a grudge purchase and only bought when absolutely necessary. A good salesman can sell you two pair of shoes, two cars and maybe two houses if you have the money, but he cannot sell you two SLI automobile batteries. When you do buy a battery whether a solar battery for a solar panel, an electric bike or a UPS and inverter battery backup system or a traction battery for forklifts don’t you wish you knew more about it?

How do lead acid batteries work, what is the differences between types and models, and how about the different chemistries? They can be expensive. In a commercial or domestic application what is the payback, what is the life and the cost of replacement of a lead acid battery? The size you need, the space available, the energy efficiency of lead acid battery and recharge time? And then, there is the hidden costs of safety, disposal and the carbon footprint. This article compares lead acid batteries with lithium ion battery and addresses many of the misconceptions associated with both of these chemistries.

sur batterie lithium-ion

Dans le domaine public, on a l’impression que les batteries au plomb sont de vieilles technologies. Batterie lithium-ion a une perception différente, il est moderne, plus propre, il a 3 ou 4 fois la densité d’énergie et une durée de vie plus longue cycle. Avec tout cela, quels avantages possibles la technologie de l’acide de plomb vieille de 150 ans pourrait-elle apporter à la table? Eh bien en fait, tout n’est pas comme il semble, regardez derrière les manchettes aux données utilisées dans les revendications de marketing, puis appliquer un peu de bon sens, la recherche fondamentale et une certaine science rudimentaire. Vous constaterez que la vraie histoire est assez différente.

The first misconception concerns the volumetric and specific energy densities. The headline values of 4 to 5 times relate only to the specific energy density and to a limited number of lithium ion battery chemistries, some of which are still not in commercial use. Fig. 2 compares several cathodes for lithium ion battery cells these range from around 100Wh/kg for the safest Li-FePO4 chemistry to over 200Wh/kg for the nickel-cobalt-aluminum oxide variant. Lead acid battery diagram is given below:

Densité énergétique de la batterie lithium-ion
Figure 2 Densités énergétiques de diverses chimies de batteries au niveau cellulaire
Comparaison de la batterie lithium-ion au niveau des cellules
Figure 3 Comparaison de la batterie lithium-ion et de la batterie acide plomb au niveau des cellules et du système

These values only apply to the single-cell level, not the pack or in-service condition. Fig. 3 shows the energy densities of different battery chemistries at cell and system level. The energy densities of lithium ion battery cells are practically halved when fully installed with all the connections, cooling, safety and battery management equipment.

L’avantage de niveau cellulaire de 3 à 5 fois la densité énergétique spécifique est réduit à 2 à 3 fois. Dépendant de la chimie de la cathode au lithium, nous pourrions presque être à la recherche de la parité entre les batteries lithium-ion et la densité d’énergie des batteries acides de plomb pour un système de batterie entièrement installé dans certaines applications.
L’autre facteur, celui de la vie au cycle, est également source de confusion. Combien de cycles une batterie lithium-ion peut-elle effectuer avant que la capacité ne tombe en dessous de 80 % de sa cote de plaque signalétique? Deux, trois mille ? Le tableau 1 donne un résumé des différents matériaux cathodiques Li-ion pour la performance et la durée de vie du cycle.

Cathode material Short name Nominal voltage Specific energy Wh/kg (cell) Cycle life Comments
Lithium Cobalt Oxide
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 Portable devices - thermal runaway on overcharge
Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 Power tools, medical devices - safer than LCO
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-bikes, EV, industrial - high cycle life
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - safest of all lithium ion battery chemistries
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 Industrial, EV powertrain (Tesla) TR at 150C, CL 500
Lithium Titanate (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, Solar, EV powertrain (Honda, Mitsubishi). CL 3000-7000 - very safe

As can be seen, all fall within the 800 to 2000 cycle range. In comparison, a well-designed lead acid battery can easily achieve more than 1600 cycles to 80% DOD. So how does this all add up when considering cost of ownership? This brings us to the next point which is the lead acid battery price. How much does a lithium ion battery cost compared to a lead acid battery? Lithium ion battery manufacturing plant cost? Naturally, lithium ion battery are more expensive but how much more. Again, this depends upon the level being considered. The press releases will tell us that Li-ion prices are falling and now are in the range of 2-3 times that of lead acid.

Vraiment? Les prix moyens sur une recherche récente sur Internet au Royaume-Uni pour obtenir des prix sur les batteries de loisirs disponibles dans le commerce de 12V et 100 Ah à la fois pour la batterie lithium-ion et batteries au plomb acide:
batterie lithium-ion 960 $ ou 800 $/kwh
Batterie acide de plomb $215 ou $180/kwh
Évidemment, la durée de vie de la batterie lithium-ion doit être 4 fois celle de la batterie acide de plomb équivalent pour obtenir la même valeur. Comme nous l’avons vu, ce n’est pas le cas.

Cradle to gate émissions batterie lithium-ion
Figure 6 Émissions de CO2 du berceau à la porte pour différentes chimies de batteries
Schéma du berceau à la gra
Figure 5 Schématique du principe du berceau à la porte pour la fabrication de batteries

Dans tous les cas, la construction de batteries à l’acide au plomb était la plus rentable, même lorsqu’une batterie d’acide au plomb plus grande était équipée pour donner une meilleure acceptation de la charge et une plus longue durée de vie du cycle. Dans cet exemple, l’application était une tour de télécommunications en Inde. Le même principe est vrai dans la plupart des applications et des géographies, d’autant plus dans les climats plus froids. L’autre idée fausse est que Le Li-ion est une technologie plus propre et moins polluante que l’acide plomb. Les émissions du berceau à la porte pour différentes chimies de batterie sont données dans les figues. 5 et 6.

Cette figure indique la limite des opérations pour la fabrication de la batterie. De l’extraction et le transport des matières premières jusqu’à toutes les étapes de traitement jusqu’au point où les batteries sont prêtes à être expédiées.

Le tableau 2 est une situation réelle qui compare l’économie de l’utilisation de la batterie lithium-ion et de la batterie acide de plomb fonctionnant sur différentes périodes de vie.

Cost item Daily running costs USD Daily running costs USD
3 Years Lead Acid Battery Lithium ion battery
Amortisation 8.30 16.90
Diesel (delivered) 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.65 0.50
Total day/month 28.38/851 36.83/1105
6 Year
Amortisation 5.86 8.46
Diesel 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.54 0.50
Total day/month 25.83/775 28.39/852

This data from Argonne National Laboratories, show that the total manufacturing process including the extraction and transport of raw materials for lithium ion batteries are more than 4 times the lead acid value. Regarding the extraction of materials, the supply of basic cathode materials such as cobalt and manganese and lithium are not completely certain. The extraction and recovery processes exist but the number of mines and manufacturing sites may limit supply if demands significantly increases. The geo-political map also predicts uncertainty for some sources of these materials.

La recyclabilité et la sécurité de ces chimies sont des facteurs importants. On sait que presque tous les composants des batteries au plomb acide sont 100% recyclés alors qu’il n’existe pas de procédés commerciaux pour le recyclage de la batterie lithium-ion. Cette situation est compréhensible lorsque l’on considère que les composants les plus chers de Li, Co, Mn etc. ne sont qu’une petite fraction de la batterie lithium-ion totale. Par exemple, le lithium représente environ 4 % du poids total des cellules. Ajoutez à cela le fait évident que le lithium est hautement réactif (la base de sa haute densité énergétique), ce qui rend naturellement coûteux à extraire des déchets.

Le facteur supplémentaire de complexité avec de nombreux matériaux différents dans sa construction rend le recyclage difficile, à la fois techniquement et économiquement. Le résultat ? Il n’y a tout simplement aucune incitation commerciale à recycler ces batteries. Pour cette raison, les installations de recyclage en sont encore à l’étape pilote et sont principalement financées par le gouvernement.
À l’heure actuelle, la grande majorité des batteries lithium-ion mises au rebut sont stockées en attendant soit une percée technologique ou une législation pour forcer leur recyclage. Si ce dernier devait être mis en œuvre, il y aurait un coût, en fin de compte pour la consommation. Cela augmenterait encore le prix de la cellule Li-ion par rapport aux types de batteries à l’acide plomb.

Enfin, nous avons la sécurité. Aucune application de batterie acide de plomb à notre connaissance n’a jamais eu un rappel de sécurité comme nous le savons est le cas avec la batterie Li-ion dans les appareils électroniques portables et même les véhicules électriques. Fig. 7 montre ce qui est arrivé à une nouvelle Volvo hybride au Royaume-Uni il ya quelques semaines, au moment de la rédaction de cet article. Dans ce cas, ses batteries lithium-ion ont pris feu lorsqu’elles étaient chargées.

Figure 7 Incendie causé par une batterie Li-ion dans un véhicule électrique hybride Volvo : résidence d’avril 2018-Royaume-Uni

batterie lithium-ion cause d’un incendie dans une nouvelle voiture Volvo EV
Incendie de voiture Volvo brûlé causé par la batterie au lithium
Incendie causé par une batterie lithium-ion
Les pompiers mettant fin à l’incendie causé par une batterie au lithium

Même lorsqu’elles sont stockées ou transportées, les batteries lithium-ion ont été la cause d’incendies gravement dangereux. Bien que ces occasions soient rares, elles doivent être reconnues, et des équipements de sécurité appropriés et des logiciels de gestion de batterie doivent être installés. Les pompiers de New York, par exemple, sont toujours en train de décider comment lutter contre les incendies de batteries lithium-ion. Cela suggère fortement que les mesures de sécurité existantes pour les batteries lithium-ion dans le monde entier doivent être revues.

Voici la vue du service d’incendie de New York:

Citation d’article de nouvelles : Lecteur d’utilité d’AWS le 15 novembre 2016 « Le feu n’est pas le plus grand problème, » a dit Rogers. Les pompiers sont formés pour faire face aux incendies, mais ils doivent savoir à quoi ils ont affaire. Les piles li-ion peuvent libérer des acides toxiques et des vapeurs inflammables. Certaines de ces vapeurs sont consommées par l’incendie, mais si elles ne le sont pas, elles pourraient s’enflammer ou être un problème pour les pompiers. Le plus gros problème est ce qui se passe «post-op», c’est-à-dire après l’extinction de l’incendie. Même si une batterie est arrêtée, elle pourrait reprendre jusqu’à 72 heures, a déclaré Rogers. -Lt. Paul Rogers Fire Department de la division des opérations sur matières dangereuses de New York»

Résumé de la batterie lithium-ion

Batterie lithium-ion très certainement ont de meilleures caractéristiques de performance que l’acide de plomb. Toutefois, ces avantages sont fortement réduits par le matériel supplémentaire associé aux exigences de sécurité et de gestion. Le résultat net est que les batteries au plomb acide ont des avantages distincts en particulier lorsque l’on considère les applications qui ne sont pas limitées par le poids ou l’acceptation de charge. Le coût initial inférieur du coût de l’usine de fabrication de batteries à l’acide au plomb; le faible prix d’achat et le faible coût d’amortissement de l’acide plomb combinés à son faible impact environnemental et à sa sécurité inhérente offrent les avantages suivants :

  • Prix d’achat plus bas. Le prix est d’environ un quart d’un équivalent Li-ion. La baisse des coûts d’exploitation pour réduire le coût total de possession dans la majorité des demandes.
  • Recyclabilité. Près de 100 % de tous les matériaux de batterie acide plomb sont recyclés. La valeur de la ferraille peut fournir des revenus supplémentaires allant jusqu’à 20% du coût du matériel de la batterie. Les batteries au lithium n’ont pas d’infrastructure ou de procédé commercial pour le recyclage
  • Sécurité. La chimie de l’acide plomb est intrinsèquement plus sûre que celle de la batterie lithium-ion
  • Durabilité. Il existe de nombreuses sources d’approvisionnement bien établies pour l’acide de plomb, en particulier dans les installations de recyclage. Le lithium et d’autres matériaux cathodiques peuvent être fournis à partir de zones politiquement sensibles. La capacité mondiale actuelle d’extraction et de fabrication des matériaux ne soutiendrait pas une augmentation rapide de la production de batterie lithium-ion.
  • Empreinte carbone. La fabrication de batteries à l’acide au plomb a un berceau pour porter l’empreinte carbone un tiers de celle des batteries lithium-ion.

Là, nous avons tout. Une image différente de celle peinte par les compagnies de batteries lithium-ion. Bien qu’on ne puisse soutenir que l’acide de plomb a un inconvénient dans la densité énergétique, on peut faire valoir qu’il est encore une technologie très compétitive et reste le meilleur choix dans de nombreuses applications.

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