Utiliser des chargeurs spécialement conçus pour tirer le meilleur parti des batteries lithium-fer-phosphate

Dans les batteries lithium-fer-phosphate (LiFePO₄), le LiFePO₄ est utilisé pour la cathode de la batterie, avec en guise d'électrode un matériau en graphique renforcé en métal. Décrites pour la première fois par des chercheurs de l'Université du Texas en 1996, elles ne constituent en aucun cas une technologie nouvelle. Cependant, l'électrochimie suscite un grand intérêt, car elle offre certains avantages par rapport aux cellules lithium-ion (Li-ion). Ces avantages incluent un coût réduit, l'absence de toxicité, la disponibilité à grande échelle du fer, ainsi qu'une excellente stabilité thermique. À l'inverse, le nickel et le cobalt utilisés dans les batteries Li-ion sont difficiles à trouver, onéreux et plus néfastes pour l'environnement.

Par ailleurs, le LiFePO₄ peut endurer beaucoup plus de cycles de charge que les cellules Li-ion équivalentes. Selon la manière dont la batterie est utilisée, 1000 à 10 000 cycles sont possibles. En outre, une batterie LiFePO₄ standard certifiée peut offrir une capacité de décharge (ou « profondeur de décharge ») d'au moins 80 % pendant au moins 2000 cycles. La caractéristique équivalente pour une batterie Li-ion typique est de 300 à 500 cycles.

Les autres fonctionnalités des batteries LiFePO₄ incluent une tolérance de charge rapide, une faible résistance interne qui leur permet de prendre en charge un courant de décharge élevé, ainsi qu'une tension d'alimentation extrêmement stable. Ces batteries fonctionnent aussi très bien à des températures élevées.

Le modèle PSL-FP-IFP2770180EC de Power Sonic Corporation (Figure 1) est un exemple de batterie LiFePO4 de 3,2 volts (V) et 25 ampères-heures (Ah).

Figure 1 : Une batterie LiFePO4 coûte moins cher et offre davantage de cycles de charge qu'une batterie Li-ion équivalente. (Source de l'image : Power Sonic Corporation)

Toutefois, jusqu'à récemment, certains inconvénients empêchaient les batteries LiFePO₄ d'être utilisées dans les applications grand public. Leur densité d'énergie 15 à 25 % inférieure à celle des batteries Li-ion et leur tension de sortie plus basse de 3,2 V (contre 3,7 V pour les batteries Li-ion) constituent les principaux inconvénients. Par ailleurs, les batteries LiFePO₄ ne fonctionnent pas bien à des températures basses et nécessitent généralement plus de précautions et une plus grande protection que leurs homologues à cellules Li-ion plus robustes.

Améliorations de la densité d'énergie LiFePO₄

De récentes améliorations de la densité d'énergie permettent aux batteries LiFePO₄ d'être utilisables dans davantage de dispositifs. Même s'il y a peu de chances qu'elles remplacent les batteries Li-ion dans des produits comme les téléphones ou ordinateurs portables, elles peuvent constituer une bonne option dans les applications où il y a plus d'espace et/ou dans lesquelles le faible coût et la facilité de recyclage sont importants. C'est notamment le cas des vélos électriques et de certains modèles de véhicules électriques (VE). Par exemple, Tesla a annoncé fin 2021 l'adoption des batteries LiFePO₄ pour ses véhicules d'entrée de gamme. Les batteries de l'entreprise délivrent environ 260 wattheures par kilogramme (Wh/kg), soit un niveau équivalent aux meilleures cellules Li-ion.

Figure 2 : La Model 3 de Tesla tire désormais parti des batteries LiFePO4. (Source de l'image : Tesla)

Les concepteurs envisagent de plus en plus les batteries LiFePO₄ dans les applications où leur faible coût, leur autonomie étendue et leurs caractéristiques électriques sans danger sont plus importants qu'une haute densité d'énergie. C'est notamment le cas des dispositifs radiocommandés, des produits portables à moteur et surtout des capteurs pour l'Internet industriel des objets (IIoT).

Étant donné que seuls quelques ingénieurs sont impliqués dans la conception de produits originaux comme les VE, c'est dans ces applications plus modestes que vous verrez sans doute de plus en plus de sources d'alimentation LiFePO₄.

Manipuler avec précaution

Les technologies Li-ion et LiFePO₄ partagent quelques similitudes. Par exemple, l'énergie provient du mouvement des ions lithium, un processus qui libère des électrons pour créer un courant électrique afin d'alimenter un dispositif. Toutefois, la manière dont les batteries sont chargées constitue une différence majeure. Les batteries LiFePO₄ présentent des caractéristiques électriques différentes de celles des batteries Li-ion, ce qui modifie leur profil de charge. Même s'il s'agit d'une variation subtile, il est important de bien la comprendre afin d'exploiter pleinement le potentiel du LiFePO₄.

Les Figures 3 et 4, fournies par Texas Instruments, montrent la différence entre un profil de charge typique Li-ion et LiFePO₄. L'algorithme de charge du LiFePO₄ (Figure 4) n'a pas besoin du mode à tension constante (CV) typique du cycle de charge des batteries Li-ion (Figure 3). À la place, la batterie est vite chargée grâce à un courant constant (CC) de charge rapide jusqu'à atteindre une tension de surcharge, avant de revenir « tranquillement » à un seuil de tension de charge tampon plus bas. L'absence de commande de tension constante réduit considérablement le temps de charge. Lors du cycle de charge, une boucle de commande interne surveille la température de jonction du circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC) et réduit le courant de charge en cas de dépassement du seuil de température.

Figure 3 : La charge d'une batterie Li-ion suit trois phases distinctes. D'abord, la batterie est chargée avec un courant constant modeste pour effectuer une précharge, puis vient une charge constante plus élevée afin d'ajouter rapidement de l'énergie. Enfin, lorsque la tension de charge correspond à la sortie de la batterie, le profil passe à une tension constante pour remplir doucement la batterie jusqu'à sa pleine capacité. (Source de l'image : Texas Instruments)

Figure 4 : La charge d'une batterie LiFePO4 est différente de celle d'une batterie Li-ion. Après la précharge, la batterie est chargée jusqu'à sa pleine capacité grâce à un courant constant. La tension redescend ensuite « tranquillement », puis reste à un niveau tampon grâce à une petite charge complémentaire. La charge des batteries LiFePO4 est plus rapide que le cycle de charge des batteries Li-ion. (Source de l'image : Texas Instruments)

Autre différence entre les profils de charge : la tension de charge maximum inférieure de la batterie LiFePO₄ en raison des différentes compositions chimiques des batteries. La tension de charge maximum d'une batterie LiFePO₄ est plafonnée à une surtension de 3,6 V avant de retomber à 3,5 V, tandis qu'elle est limitée à 4,1 V ou 4,2 V pour une batterie Li-ion.

Chargeurs compacts pour LiFePO₄

L'utilisation accrue des batteries LiFePO₄ a encouragé les entreprises spécialisées dans les puces à lancer des circuits intégrés monolithiques dédiés à la charge des cellules à l'aide d'un profil optimisé. Ils permettent d'intégrer la technologie sans avoir à concevoir de circuit de gestion de l'alimentation de A à Z.

Le PMIC LiFePO₄ BQ25070DQCR de Texas Instruments est un exemple. Ce dispositif logé en boîtier de 2 millimètres (mm) x 3 mm fournit une tension de surcharge de 3,7 V et une tension tampon de 3,5 V jusqu'à 1,2 A.

Autre exemple : le système MCP73123T-22SI/MF de Microchip Technology. Ce dispositif fonctionne à partir d'une entrée de 4 V à 16 V et offre un courant de charge maximum de 1,1 A. La valeur du courant constant de charge rapide est définie à l'aide d'une résistance externe de 130 milliampères (mA) jusqu'à la limite maximale, en fonction du cycle de charge de la batterie. Le MCP73123/223 limite également le courant de charge en fonction de la température de la puce en conditions de puissance élevée ou de température ambiante élevée (Figure 5).

Figure 5 : Schéma du PMIC LiFePO4 de Microchip Technology. La résistance connectée à la broche PROG définit le courant de charge maximum. (Source de l'image : Microchip Technology)

Analog Devices propose une troisième solution. Le PMIC MAX77787JEWX+ fonctionne à partir d'une tension d'entrée de 4,5 V à 13,4 V et présente un courant de charge maximum de 3,15 A. Le courant de charge rapide et la tension de terminaison sont configurés via des résistances externes. Ce dispositif de 2,75 mm x 2,75 mm prend en charge aussi bien la charge LiFePO₄ que Li-ion.

Conclusion

Malgré quelques compromis par rapport aux batteries Li-ion en termes de densité d'énergie et de tension d'alimentation, les batteries LiFePO₄ offrent davantage de cycles de charge et une charge rapide. Par ailleurs, elles sont adaptées à de nombreuses applications sensibles au coût, notamment les VE et les capteurs IIoT. Des chargeurs monolithiques spécialement conçus permettent d'utiliser facilement cette chimie de batterie, en sachant que des profils de charge optimisés garantissent une longue durée de vie et une haute fiabilité.