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Technique

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Batterie LFP Super B

novembre 2011 - par ULMag

L'énergie à faible poids

Récemment introduites sur le marché français, les batteries LFP (lithium fer phosphate) Super B rencontrent un franc succès dans le monde ULM, ceci en dépit d'un coût supérieur aux accus conventionnels. Une confiance immédiate montrant la maturité du mouvement ULM qui, contrairement à l'aviation classique, recherche l'innovation afin d'améliorer les aéronefs.


Accès rapides


A l'origine : le plomb

La batterie plomb-acide, quelle que soit sa technologie, est une référence ''étalon'' pour l'industrie. Inventée en 1859 par Gaston Planté, elle s'est rendue indispensable pour démarrer les moteurs thermiques, entretenir des sécurités de veille, alimenter des engins élévateurs, des voitures de golf, des bateaux, ou conserver l'énergie de production éolienne ou solaire. La batterie au plomb a de nombreux avantages au rang desquels sa simplicité technique qui permet de l'utiliser dans des conditions difficiles, une recharge facile avec un matériel sommaire, une possible récupération, un recyclage à 97%, un prix acceptable en dépit des fluctuations du cours du plomb et aucun effet mémoire. La durée de vie moyenne d'une batterie plomb-acide est de 3 à 5 ans, avec un nombre de cycles de charge compris entre 500 et 1500. Inconvénient, la batterie au plomb pèse lourd (et pour cause), délivrant une énergie massique comprise entre 30 et 50 Wh/kg. C'est pourquoi dès qu'on a besoin de gagner du poids (planeur, compétition auto, moto, karting...) on imagine des solutions permettant de se passer de batteries conventionnelles, n'embarquant qu'un minimum d'accus destinés aux instruments et accessoires. Plusieurs causes peuvent dégrader prématurément une batterie plomb-acide : la décharge complète, l'oxydation des bornes, l'oxydation des électrodes ou le cyclage. Si on ne peut pas grand chose pour éviter les deux dernières causes, l'utilisateur peut prévenir les premières en conservant ses batteries chargées et en entretenant leurs bornes. Il existe des chargeurs ''intelligents'' qu'on peut laisser brancher en permanence et qui réalisent un ''entretien'' de charge (Optimate de Tecmate en est un exemple connu).


Gamme de batteries plomb.


Technologie nickel

Pour nos ULM et avions légers, l'inconvénient majeur d'un batterie plomb-acide est le poids. Pour alléger nos aéronefs, il faut donc se tourner vers d'autres technologies. Or la science avance entraînant dans son sillage la technologie des batteries. Et la demande grandissante (vélos électriques, voitures, mobiles urbains...) enrichit les marchés. La première génération de batteries modernes requiert l'emploi de métaux semi-rares, le nickel et le cadmium (Ni-Cd). Cet accumulateur rechargeable utilise de l'oxyhydroxyde de nickel et du cadmium comme électrode. Cette technologie ''grand public'' d'un coût accessible dispose d'une énergie massique de 45 à 70 Wh/kg. Faciles à utiliser, les batteries Ni-Cd sont désormais dépassées, et de plus interdites en Europe sous leur forme ''portable'' (ou piles rechargeables) suite à une directive 2066/66/CE interdisant l'utilisation du cadmium pour ces produits. Les avantages sont une grande souplesse d'utilisation (-50°C à +70°C), une charge facile sans matériel sophistiqué, une grande résistance mécanique et électrique, une fiabilité hors du commun. Les inconvénients sont une forte auto-décharge (10 à 20% par mois), un effet mémoire prononcé et un recyclage polluant (voire dangereux). La durée de vie d'accumulateurs Ni-Cd est supérieure à 3 ans ou 1500 cycles en moyenne. Du fait de leur faible restitution instantanée, ils sont principalement employés pour entretenir des systèmes de sécurité ou des dispositifs de faible puissance. Le mariage du nickel avec le zinc (Ni-Zn) a permis d'augmenter sensiblement l'énergie massique (70 à 80 Wh/kg) et surtout la puissance instantanée. Le mariage avec de l'hydrure de métal (Ni-MH) a permis d'améliorer l'énergie massique (jusqu'à 100 Wh/kg), et surtout de livrer une puissance instantanée de l'ordre du kW par kg (mieux qu'une batterie plomb-acide), mais au prix d'une auto-décharge supérieure à 30% par mois. Finalement ces technologies n'ont pas débouché dans les programmes industriels de grande échelle dans le monde des fortes puissances (automobile, moto, avions...).


Pas très coûteuses, mais pas très performantes, les batteries nickel - cadmium n'offrent pas le bon compromis pour démarrer un moteur.


Technologie lithium

Les technologies suivantes faisant appel au lithium sont plus prometteuses. Plusieurs procédés existent. Lithium-ion quand le lithium reste à l'état ionique grâce à un composé d'insertion sur les deux bornes (généralement en graphite pour la borne négative et dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer... pour la borne positive). Selon les méthodes de fabrication, on attend d'une batterie Li-ion une énergie massique de 100 à 180 Wh/kg avec une énorme puissance instantanée de 1500 W/kg. En revanche le nombre de cycles de charge est inférieur à 1000. Cette technologie utilisant des matériaux rares comme le cobalt sont très coûteuses et peuvent présenter des risques à l'utilisation (dégagement de gaz, explosion). Les accumulateurs lithium-polymère utilisent un principe de fonctionnement semblable aux accumulateurs Li-ion et possèdent des caractéristiques proches. Ils délivrent un peu moins d'énergie (100 à 130 Wh/kg), sans être beaucoup plus sûrs. C'est la technologie Li-Po (marque Kokam - Chine) qu'utilisent les constructeurs Yuneec ou Electravia pour leur ULM et avions. Contrairement à ce qui est souvent annoncé, leur durée de vie théorique est l'une des moins élevée, avec une moyenne estimée inférieure à 500 charges. Ensuite viennent les variantes au rang desquelles la technologie LMP (lithium métal polymère) dont l'utilisation est exigeante (température de fonctionnement élevée) et l'énergie massique quelconque (110 Wh/kg). En revanche ces batteries sont sûres, très peu polluantes, sans effet mémoire et d'une excellente tenue dans le temps (on parle de dix ans).


Technologie plus avancée que le Ni-Cd, le lithium - phosphate possède des avantages, mais coûte très cher.


Autre type de batteries LMP.


Technologie LFP (lithium fer phosphate)

Inventée par John Goodenough de l'Université du Texas, l'électrode au phosphate de fer a immédiatement intéressé les fabricants de batteries pour ses qualités intrinsèques. Requérant l'usage de matériaux courants (moins coûteux que le Li-ion, Li-Po ou LMP) et très peu polluants, cette technologie s'inscrit dans une synergie d'avenir. Sur un plan technique, la batterie LiFePo4 montre une stabilité remarquable à l'usage, y compris dans les hautes températures, cela au prix d'une énergie massique quelconque (70 à 90 Wh/kg). On constate en revanche une puissance instantanée supérieure à 2000 W/kg et l'une des meilleures espérance de vie (5 ans minimum et plus de 2000 cycles de charge). Les batteries LFP nécessitent un dispositif de charge spécifique pour batteries lithium avec mention LiFePo4. Elles supportent les températures extrêmes (-20°C à +60°C), n'ont aucun effet mémoire et subissent une très faible auto-décharge (1% par mois).


Stables et performantes, les batteries LiFePo4 sont les plus avancées aujourd'hui, mais coûtent assez cher et réclament une attention particulière pour la charge.



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