Tension et capacité dans les batteries au lithium : quelles sont les différences

Chez GEB, nous construisons chaque jour des batteries au lithium pour des applications-réelles. Les clients nous demandent souvent pourquoi une batterie affiche 3,8 V à un instant et chute rapidement sous charge, même s'il lui reste encore beaucoup de charge. La confusion revient presque toujours à la même chose : mélangertension et capacité.

Ces deux chiffres décrivent des choses complètement différentes, mais ils fonctionnent ensemble pour décider de la quantité de travail que votre batterie peut réellement effectuer. Décomposons-le clairement afin que vous puissiez prendre de meilleures décisions lors du choix ou de l'utilisation de batteries au lithium.

Que signifient réellement la tension et la capacité

Tensionest la différence de pression électrique entre les bornes positives et négatives de la cellule. Il vous indique la force avec laquelle la batterie peut pousser les électrons à travers un circuit. En pratique, on parle de trois valeurs de tension importantes :

• Tension nominale(la tension de fonctionnement moyenne, telle que 3,2 V pour LiFePO4 ou 3,7 V pour NMC)
• Tension de coupure de charge-(généralement 4,2 V pour la plupart des cellules Li-ion)
• Tension de coupure de décharge-(généralement 3,0 V ou 2,5 V selon la chimie)

Capacité, quant à lui, mesure la quantité totale de charge que la batterie peut fournir, exprimée en ampères-heures (Ah) ou en milliampères-heures (mAh). Une batterie de 100 Ah peut théoriquement fournir 100 ampères pendant une heure, ou 10 ampères pendant dix heures, avant d'être vide.

La véritable énergie disponible provient de la combinaison des deux :

Énergie (Wh)=Tension × Capacité

Par exemple, une batterie 48 V 100 Ah stocke 4,8 kWh d’énergie. C’est le nombre qui vous indique réellement combien de temps votre système solaire, votre chariot élévateur ou votre outil électrique peut fonctionner.

Beaucoup de gens regardent uniquement la tension sur un multimètre et pensent que la batterie est presque morte lorsqu'elle descend en dessous de 3,7 V. En réalité, cette lecture signifie souvent que la batterie a encore 40 à 60 % de capacité, en fonction de la charge et de la chimie.

Comment la tension et la capacité sont liées les unes aux autres

Tension et capaciténe sont pas indépendants. La tension que vous mesurez change à mesure que la batterie libère sa charge stockée. Cette relation est déterminée par le mouvement des ions lithium entre les électrodes et le potentiel chimique qui en résulte.

En termes simples, lorsque la batterie se décharge, les ions lithium quittent l’anode et se dirigent vers la cathode. Le mesurabletension en circuit ouvert-(OCV)est la différence entre les potentiels aux deux électrodes. À mesure que la concentration des ions lithium change, la tension chute progressivement.

Toutefois, cette baisse est rarement linéaire. La majeure partie de la capacité est livrée au cours d'une période relativement plate "plateforme de tension." Une fois la plate-forme terminée, la tension chute brusquement vers le point de coupure-. Ce comportement non-linéaire est exactement la raison pour laquelle on s'appuie surtension seuleestimer le temps d’exécution restant conduit à des erreurs.

Chez GEB, nous le constatons à chaque fois que nous testons des packs. Une cellule peut rester confortablement à 3,65 V pendant une longue période tout en délivrant la majorité de sa valeur nominale.capacité.

Comprendre la courbe de décharge

Lecourbe de déchargemontre exactement comment la tension se comporte lorsque la capacité est épuisée. Une courbe typique d’une batterie au lithium comporte trois phases distinctes :

Chute initiale de la tension de charge complète

Plate-forme longue et relativement plate où la plus grande partie de la capacité est fournie

Genou pointu à la fin car la tension chute rapidement pour couper-

Voici un exemple pratiquetableau tension vs SOCpour une cellule NMC standard dans différentes conditions (mesurées à 25 degrés) :

Remarquez que la tension sous charge est toujours inférieure à la tension en circuit ouvert-. Un courant de décharge plus élevé provoque un affaissement de tension plus important en raison de la résistance interne et des effets de polarisation.

Plusieurs facteurs modifient cette courbe dans l’usage quotidien :

• Taux C-plus élevé → chute de tension plus précoce et plus profonde
• Température plus basse → tension réduite et disponiblecapacité
• Plus de cycles de charge-décharge  → la plate-forme s'abaisse progressivement et s'aplatit moins

C’est pourquoi une batterie qui a fonctionné pendant 8 heures à la même tension ne peut durer que 6 heures après 500 cycles.

LiFePO4 vs NMC : comportement de tension et de capacité très différent

La chimie que vous choisissez change lerelation tension-capacitédramatiquement.

LiFePO4 (LFP)les cellules fonctionnent à une tension nominale de 3,2 V avec unplateforme de déchargement. La tension reste remarquablement stable entre environ 3,3 V et 3,0 V pour la majeure partie de la capacité. Cette planéité vous offre un temps d'exécution plus prévisible et une meilleure capacité utilisable dans les applications réelles. LFP est le choix privilégié pour le stockage de l’énergie solaire, les systèmes marins et partout où la longue durée de vie et la sécurité sont les plus importantes.

NMC cells operate at 3.6–3.7V nominal and deliver higher energy density. Their courbe de déchargea une pente notable, ce qui signifie que la tension chute plus régulièrement à mesure que la capacité est utilisée. Cela rend le NMC mieux adapté aux applications nécessitant une puissance de sortie élevée ou une taille compacte, telles queoutil électriques, les drones et certains packs EV.

Voici une comparaison côte à côte :

Chez GEB, nous produisons les deux produits chimiques et recommandons souvent le LFP lorsque les clients ont besoin d'une énergie fiable de longue durée-, tout en suggérant des packs basés sur NMC-lorsque le poids et la densité de puissance sont les principales priorités.

Implications pratiques pour une utilisation réelle

Tensionl'affaissement sous la charge, les effets de la température et le vieillissement affectent tous la capacité que vous pouvez réellement extraire.

A Système 48Va un net avantage sur le 24V ou le 12V pour la même puissance de sortie. Le courant étant réduit de moitié, les pertes I²R diminuent considérablement -, souvent de 30 à 40 %. La charge se termine également plus rapidement et le câblage peut être plus fin. Pour un stockage d’énergie ou une puissance motrice plus important, le passage à une tension plus élevée améliore presque toujours l’efficacité.

Les conditions de stockage comptent également. Nous conseillons de conserver les batteries au lithium à 40-60 %SOCpour un stockage-à long terme. La plupart des cellules GEB sont livrées avec une charge d'environ 50 %, car ce niveau s'est avéré le meilleur pour minimiser le vieillissement calendaire tout en maintenant la récupération au-dessus de 98 %, même après une année complète.

Ne jugez jamais la capacité restante uniquement par la tension sous charge. Laissez toujours la batterie reposer pendant quelques minutes et mesurez l'OCV si vous avez besoin d'une estimation approximative. ModerneUnités GTCCombinez les données de tension, d'intégration de courant (comptage de coulomb) et de température pour une précision beaucoup plus grande.SOClectures.

Pensées finales

Tensionvous indique la force.Capacitévous indique la charge totale disponible. Les performances réelles proviennent de la manière dont ces deux éléments interagissent sous votre charge, température et cycle de service spécifiques.

Trouver le juste équilibre entreplateforme de tension, capacité totale, et la chimie est ce qui sépare une bonne batterie d’une autre qui sous-performe sur le terrain. Chez GEB, nous passons beaucoup de temps à optimiser les rapports d'électrodes, les fenêtres de tension et les choix de matériaux afin que nos cellules offrent un comportement de tension constant et une capacité fiable sur des centaines ou des milliers de cycles.

Si vous concevez un nouveau système ou évaluez des options de batterie, n'hésitez pas à nous contacter. Indiquez-nous vos besoins en tension, la durée de fonctionnement prévue et les conditions de fonctionnement. Nous pouvons recommander la bonne composition chimique et la bonne configuration de pack qui correspondent réellement à votre application au lieu de simplement répondre aux spécifications principales.