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Les avantages des batteries au lithium (Li-ion) face au plomb

Les batteries au lithium, en particulier les Lithium-ion, ont révolutionné le monde du stockage de l’énergie. On les retrouve partout : dans notre smartphone, nos pc portables, nos outils portatifs, nos voitures électriques… Et cela pour des raisons très simples.

Les batteries au lithium surclassent toutes les précédentes technologies de stockage : batteries au plomb, au nickel, au zinc, au sodium…

Voici les principaux avantages pratiques :

– Le poids

Les batteries lithium sont trois fois plus légères que les batteries au plomb pour une même énergie stockée, ce qui explique leur utilisation dans tous les systèmes mobiles.

– L’efficacité

Les batteries subissent des pertes lors de la charge et la décharge, qu’on appelle « pertes Coulombiques » (le Coulomb étant l’unité de charge électrique).  Mais tous les types de batterie n’ont pas les mêmes pertes: si les batteries plomb ont un rendement coulombique d’environ 80%¹, celles au lithium ont, elles, un rendement proche de 98% !

  1. J’ai corrigé le rendement coulombique suite à des lectures de revues scientifiques, précédemment les chiffres étaient plus optimistes (basés sur des fiches techniques constructeurs). Les travaux de recherche semblent indiquer que le rendement des batteries au plomb est de l’ordre de 91% de zéro à 84% de charge(SOC « State Of Charge »), mais seulement de 55% de 79% à 84%; au delà le rendement semble être plus proche de 50%. Cette information est très importante car pour optimiser la durée de vie des parcs de batteries plomb on a tendance à les surdimensionner pour ne pas les décharger à plus de 30% (70% SOC). Cela veut dire que dans ce cas d’usage précis, le rendement des batteries au plomb est seulement de 50% avec pour conséquence la nécessité de doubler la surface de panneaux pour pouvoir utiliser la même énergie. Dans le cas ou la surface de panneau ne serait pas suffisante pour assurer une charge complète des batteries, on s’expose à un vieillissement prématuré du parc de batterie par sulfatation et stratification. Il convient aussi de rappeler que le rendement (comme la capacité) de toute batterie se dégrade au cours de sa vie, conduisant à la nécessité plus ou moins rapide de la remplacer. Source : A Study of Lead Acid Battery Efficiency Near Top Of Charge and The Impact on PV Systems Design

– Capacité utile

Les Lithium-ion peuvent être déchargées à plus de 80% de leur capacité sans subir de dommage ou perdre significativement en durée de vie. Même les meilleures batteries Plomb deep cycle (prévues pour aller loin dans la décharge) ne peuvent aller au delà de 50% de décharge sans subir d’importants dommages. Ainsi, 2 batteries avec les mêmes capacités 12V de 100Ah ne permettront pas la même extraction: environ 1000Wh de la batterie au lithium contre seulement 500Wh de celle au plomb.

– Puissance utile

Une batterie au lithium accepte à capacité équivalente des courants de décharge beaucoup plus important qu’une batterie au plomb. Une manière indirecte mais très concrète de constater cette situation est que la capacité de stockage d’une batterie au plomb est donnée pour un courant très faible (en général C/20 soit un vingtième de la capacité nominal : 5 ampères pour une batterie de 100Ah). Si l’on augmente le courant de décharge, l’énergie disponible diminue de manière très importante. A l’inverse, une batterie au lithium est souvent donné pour un courant de décharge important (souvent c/2 soit 50 ampères pour une batterie de 100Ah). Dans la pratique, s’il l’on veut tirer une puissance importante sur un parc de batterie au plomb (gel, agm..) il est nécessaire de disposer d’un parc beaucoup plus gros (plus de capacité). Quand une batterie lithium de 100Ah peut fournir 50 à 200 ampères de courant, il faudra compter au moins 500Ah de batterie au plomb pour demander le même courant.

NB : Il n’y a pas de formule applicable dans tous les cas pour choisir une capacité de batterie pour une puissance demandée, beaucoup de facteurs ont de l’influence comme la durée pendant laquelle cette puissance doit être fournie et à quelle niveau de SOC la puissance doit pouvoir être fournie; la stratégie de renouvellement du parc de batterie comme l’usage qui en est fait ont aussi leur importance. Pour optimiser, le coût d’un parc de batterie selon vos objectifs, rien de tel que d’en parler avec un expert vraiment compétent. Les économies réalisables par rapport à un mauvais dimensionnement le justifient amplement.

– Durée de vie en cycles

Le nombre de cycle de charge/décharge que peut réaliser une Li-ion est très élevé. Les classiques comme les LiFePO4 (une des Li-ion les plus répandues et notre favorite) ont facilement le quadruple de cycles par rapport aux batteries plomb pour un usage identique. Certaines dernières technologies de Lithium-ion arrivent même à des nombres de cycles déments (plusieurs dizaines de milliers!), les LTO à base de titane nano-structuré par exemple offrent un nombre de cycle de 30 000 à 80% de DOD si l’intensité de décharge n’est pas trop grande (0,5C).

– Durée de vie sur étagère

Il n’y a pas que la durée de vie en cycle qui détermine la durer de vie d’une batterie. Une batterie que l’on n’utiliserait pas et que l’on conserverait dans des conditions optimales finirait tout de même par rendre l’âme. La durée de vie en « float » d’une batterie plomb, c’est à dire maintenu chargé (c’est ce que préfère ce type de batterie), est de 8 à 12 ans selon les modèles à une température de 20°C. La température influe très négativement la durée de vie d’une batterie au plomb en divisant sa durée de vie par deux à chaque 10°C supplémentaire. Une batterie au lithium n’est pas aussi sensible à la température bien que ça durée de vie sur étagère y soit sensible au delà de 30°C. Une batterie lithium préfère être ni trop chargé ni trop déchargé (idéal pour un système solaire) et peut vivre dans cette état entre 14 et 16 ans sans problèmes. Il faudra donc veiller à ne pas trop surdimensionner n’importe quel parc de batterie car sa durée de vie sur étagère serait atteinte avant sa durée de vie en cycles.

– Voltage

La tension des cellules au lithium est extrêmement stable même sous forte décharge.  La chute de tension liée au courant de décharge est beaucoup moins élevée que pour une batterie au plomb. Cela permet entre autre aux convertisseurs de fonctionner dans de meilleures conditions. De plus la chute de tension importante sur une batterie au plomb nécessite de tirer un courant encore plus important pour fournir la même puissance, dégradant encore d’avantage la capacité de la batterie à fournir une puissance importante dans de bonnes conditions de manière prolongé.

– Coût de l’énergie stockée

Contrairement aux idées reçues les batteries lithium ne sont pas plus chères que les plombs si l’on rapporte la quantité d’énergie stockée au prix. Certes, le coût initial est environ deux fois plus élevé, mais étant donné que l’énergie stockable au cours de sa vie est environ 4 fois plus élevée, le prix est finalement deux fois moindre!

– Impact environnemental

L’impact global du lithium est moins négatif que le plomb. Un kilo de lithium jeté dans la nature aura un effet un peu moins dévastateur qu’un kilo de plomb car le lithium, un alcalin tout comme le sodium, est beaucoup moins réactif aux organismes vivants que le plomb. Le lithium n’est cependant pas le seul élément contenu dans les batteries au lithium dont la composition varie fortement en fonction de leur chimie interne. Certaines contiennent des métaux dont les réserves se tarissent comme le nickel(Tesla Model S et Powerwall), ou qui peuvent être toxique pour les êtres vivant à forte exposition comme le cobalt (Tesla Model S et Powerwall) et le manganèse(Nissan Leaf). Pour info, la chimie de prédilection chez Info-Solaire, le lithium fer phosphate, est composée : de cuivre, d’aluminium (production polluante), de polypropylene(enveloppe), de fer, de phosphate et de lithium, seulement des éléments recyclables et non toxique. D’un point de vue énergétique, des études scientifiques¹ ² ont conclus qu’il est seulement marginalement plus intensif en énergie(60% de plus environ) de produire 1 kwh de stockage lithium que 1kwh de stockage au plomb. Dans la pratique stocker de l’énergie dans des batteries lithium est donc beaucoup moins intensif en énergie que dans des batteries au plomb car l’énergie disponible à capacité équivalente dans une batterie au lithium est au moins le double d’une batterie au plomb et la durée de vie est 2 à 4 fois supérieur pour le lithium. Le lithium est donc au moins 4 fois moins intensif en énergie que le plomb. Cependant l’extraction du lithium (cf photo d’un champs de sel de lithium en Bolivie) n’est pas rose, tout comme celle des autres composants, et comme dans toute industrie minière, les ouvriers sont exploités, les paysages défigurés et les terres polluées. Ne nous réjouissons donc pas trop des avantages techniques du lithium sans prendre en compte les problématiques d’extraction et de recyclage de celui-ci.

– Dans un système photovoltaïque

Tous les avantages précédents se traduisent dans un système photovoltaïque par un système plus dynamique et confortable à l’usage. Les batteries peuvent être rechargée en deux heures, permettant ainsi de tirer parti pleinement d’un moment d’ensoleillement. Il n’est pas nécessaire de se préoccuper de recharger complètement les batteries régulièrement (comme c’est le cas pour des batteries au plomb), puisqu’elles sont même très contente d’osciller dans un état de charge partiel. On dispose de plus d’énergie disponible à surface de panneau identique puisque les pertes dans la batterie sont moins importante. Elle peuvent être déchargées rapidement, permettant avec peu de batterie d’alimenter de gros consommateurs comme une plaque électrique permettant ainsi de dépenser les surplus saisonnier sur des appareils que l’on n’utiliserait pas en hiver (prise en compte de la saisonnalité). Sur la durée, elles permettent de réaliser des systèmes plus économes et plus écologiques SI le dimensionnement du système et l’utilisation qui en est fait reste en bonne logique avec la nature de la source d’approvisionnement : prise en compte de la saisonnalité et de l’intermittence, usages informés et changement des habitudes par rapport à une maison raccordée.

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