Peu de personnes savent réellement ce qui se cache à l’intérieur d’une batterie Lithium, pourtant devenues incontournables dans notre quotidien : quels matériaux les composent ? Quel est le rôle de chaque élément ? Dans cet article, nous vous proposons de plonger au cœur d’une batterie lithium pour mieux comprendre son fonctionnement.
Composition d’une cellule lithium-ion
Une cellule lithium-ion est composée de cinq éléments principaux:
- L’anode : généralement en graphite (carbone), elle qui stocke les ions lithium pendant la charge
- La cathode : souvent constituée d’unun oxyde métallique de lithium (ex : LiCoO₂, LiFePO₄, LiNiMnCoO₂), elle libère les ions lithium pendant la décharge.
- L’électrolyte : liquide ou en gel, il s’agit d’un liquide organique contenant un sel de lithium (ex. : LiPF₆). Il permet le passage des ions lithium (Li⁺) entre l’anode et la cathode.
- Le séparateur : membrane microporeuse, il empêche le contact direct entre anode et cathode tout en laissant passer les ions
- Les collecteurs de courant : en cuivre pour l’anode et en aluminium pour la cathode, ils permettant d’acheminer les électrons vers et depuis le circuit externe.
Composition d’un pack batterie lithium-ion
Nous avons vu la composition d’une seule cellule lithium-ion, voyons maintenant comment est constituée un pack batterie lithium-ion, pour un vélo par exemple.
Cellules lithium-ion
L’élément principal d’une batterie est donc les cellules. Elles existent sous plusieurs formats, notamment cylindriques (18650, 21700…), le plus courant, mais aussi prismatiques ou pouch (sachet).
Les cellules sont regroupées en modules de cellules connectées en série et/ou en parallèle pour fournir la tension et la capacité souhaitées;
Exemple
Prenons une cellule cylindrique de type 18650 de tension 3,6V et de capacité 2,6Ah.
- Un vélo équipé d’un moteur de 36 V / 250 W nécessite une batterie de 36 V et d’une capacité d’au moins 6,9 Ah (pour fonctionner pendant 1 heure à puissance nominale).
- Le pack batterie sera donc composé comme d'un pack batterie dit 10S3P avec une capacité de 280 Wh qui sera suffisante pour alimenter le moteur.
- Bien sûr, une batterie avec une capacité supérieure (via des cellules plus performantes ou une configuration différente, comme 10S4P ou 10S5P) peut également convenir.
Source Kumpan Electric.
Système de gestion de batterie (BMS: Battery Management system)
C’est également lui qui gère la sécurité et le calcul du niveau de charge de la batterie en la coupant en cas de défaut (température trop élevée ou trop basse, ou encore si les courants sont anormaux). Pour préserver et prolonger la durée de vie de la batterie, il équilibre la charge de chaque cellule.
Système de refroidissement
Dans certains cas, un système de refroidissement à air ou liquide est intégré pour maintenir une température optimale. Cela reste très rare dans les batteries de vélo en raison du coût important.
Connections électriques
D’autres éléments sont utilisés pour connecter électriquement les cellules et le BMS:
- Dans la plupart des cas, des bandes (ou strips) de nickel sont utilisées pour connecter les cellules entre elles.
- Des câbles sont utilisés pour connecter les groupes de cellules (puissance et équilibrage) ou encore les capteurs de température au BMS .
- Deux connecteurs seront présents à l’extérieur de la batterie, un qui se connecte au vélo pour la décharge et un qui permet d’y brancher un chargeur pour la charge.
Boîtier/structure mécanique
Les cellules sont maintenues en position grâce à des pièces plastiques appelées cell holder.
Le tout est assemblé dans un boîtier en plastique ou en aluminium qui permet de protéger la batterie contre les chocs, les vibrations et l’humidité mais qui a aussi un rôle mécanique pour le guidage et la fixation sur le vélo.
✅ En résumé
Un pack batterie lithium-ion est constitué de cellules organisées en modules, accompagnées de systèmes auxiliaires de gestion, protection, refroidissement et fixation.