Batteries pour l'IoT

Une batterie est un système qui stocke de l'énergie chimique et la convertit en énergie électrique grâce à une réaction électrochimique. Elle sert de source d'énergie pour alimenter un  objet connecté, un équipement IoT. Il existe deux grands types de batteries, chacun pouvant se subdiviser en sous-groupes en fonction de leur couple électro-chimique :

• les batteries primaires, qui ne sont pas rechargeables, communément appelées « piles »
• les batteries secondaires, qui peuvent être rechargées et réutilisées plusieurs fois

Le terme « éléments» ou «cells» est souvent utilisé pour désigner les batteries. Lorsque l'on connecte la batterie à un circuit externe, une réaction d'oxydo-réduction se produit, libérant de l'énergie sous forme de courant électrique.

Lorsqu'une batterie fournit de l'énergie électrique, son pôle positif est appelé la «cathode» (capteur d'électrons / agent oxydant) et son pôle négatif est appelé l'«anode» (fournisseur d'électrons / agent réducteur). Plus le potentiel d’oxydo-réduction du couple électro-chimique utilisé est élevé, plus la différence de potentiel, aussi appelée «tension», entre les deux pôles de la batterie est importante. En ce sens, l'élément fournit du courant à l’objet connecté en transférant des électrons depuis le pôle négatif vers le pôle positif via un circuit électrique externe. Les ions positifs sont transférés de l'anode à la cathode via un séparateur poreux, inséré entre les deux électrodes. Ce composant interne agit essentiellement comme isolant électronique. Le système est, en outre, immergé dans un électrolyte ioniquement conducteur transportant les ions formés au niveau de l'anode vers la cathode. Ces réactions se produisent au sein d'un contenant hermétique, le godet.

Les batteries primaires, communément appelées « piles », sont destinées à une décharge unique et ne peuvent pas être rechargées. Pendant la phase de décharge, le matériau actif fournisseur d’électrons (l'anode) est consommé de manière irréversible.

Les piles alcalines constituent l'exemple le plus courant de batteries primaires. Cependant, dans l'environnement LPWA (Low Power Wide Area), où l'on tente généralement de prolonger la durée de vie des batteries et de réduire les coûts de maintenance pour les applications IoT, il est recommandé d'utiliser des couples électrochimiques à base de lithium, par exemple :

• le lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl₂), le lithium jouant le rôle de l'anode et le chlorure de thionyle celui de la cathode
• le lithium-dioxyde de manganèse (Li-MnO₂), le lithium jouant le rôle de l'anode et le dioxyde de manganèse celui de la cathode

Selon le couple électrochimique utilisé, la tension nominale de l'élément sera différente, mais il sera également possible de bénéficier de performances variées (en température, en durée de vie, en courant de décharge…), selon l’application à alimenter. Outre le couple électrochimique de la batterie, il faut également tenir compte des différents types de construction mécanique de l'élément :

• construction bobine : elle présente une capacité et une densité énergétique élevées. Les batteries de type bobine s'utilisent de façon optimale pendant plusieurs années sur la base de courants faibles (de quelques µA à quelques mA) et de courants de pulse limités (de 5 à 50 mA dans certaines conditions).
• construction spirale : elle permet d'augmenter la surface d’échange des ions des électrodes et donc l'aptitude de la batterie à délivrer de forts courants. Elle représente ainsi une solution idéale pour les applications de puissance et en pulse, comme les objets connectés.

La technologie lithium-chlorure de thionyle a été créée et développée au milieu des années 60, principalement pour les équipements militaires (radios). Son process de fabrication s’est amélioré depuis lors, et ainsi, la répétabilité de ses performances s’est accrue. Elle est, aujourd'hui, considérée comme une technologie mature.

Le couple électrochimique primaire (non rechargeable) lithium-chlorure de thionyle est particulièrement bien adapté aux applications de longue durée de vie, car il combine :

• une densité d’énergie élevée,
• une large plage de températures de fonctionnement (de - 60 °C à + 85 °C),
• une faible auto-décharge (de moins de 1 % à 3 % en stockage à + 20 °C).

Cette technologie a été largement adoptée pour alimenter des modules électroniques, de communication, du fait de sa tension de fonctionnement élevée (3,6 V contre 1,5 V pour les systèmes alcalins), qui reste très stable durant son utilisation.

Les éléments lithium-chlorure de thionyle comptent deux types de construction mécanique :  bobine et spirale. Alors que les éléments de type bobine conviennent aux faibles courants de décharge, avec des courants de pulse limités et aux applications présentant une durée de vie de plusieurs années, les éléments de type spirale permettent d'alimenter des applications avec des profils de pulse moyens, voire élevés, telles que les objets connectés utilisant des réseaux de communications de type LPWA.

La technologie lithium-dioxyde de manganèse est une technologie mature de par ses plus de 30 années d'existence. Cette technologie a été largement utilisée dans des applications militaires (radios) et grand public (appareils photo).

Sur le marché, la plupart des éléments lithium-dioxyde de manganèse sont de type spirale, mais il existe également des formats de type prismatique ou encore de type bouton ou « pouch ».

Avec la conception spiralée, qui offre une plus grande surface d’échange des ions, la technologie Li-MnO₂ est compatible avec les profils de décharge en courants continus ou en pulse élevés. Adaptée à une large plage de températures (de - 40 °C à + 80 °C pour certains éléments), la technologie lithium-dioxyde de manganèse se différencie par l'absence de phénomène de passivation significatif, ce qui réduit considérablement la chute de tension susceptible de se produire lors de décharges pulsées avec d'autres technologies de batteries primaires.

Ce couple électrochimique est désormais largement adopté pour les applications de forte puissance, mais sa tension nominale plus faible (3 V contre 3,6 V pour la technologie du Li-SOCl₂) a toujours constitué un obstacle à son adoption, car proche de la tension minimale de fonctionnement (fréquemment 2,5 V à 2,8 V), des applications IoT. Néanmoins, la situation a évolué et les éléments lithium-dioxyde de manganèse peuvent désormais être utilisés pour les objets connectés communiquant avec les technologies LPWA, si la tension d’arrêt des composants et la plage de température de fonctionnement sont compatibles avec cette technologie.

Ces batteries peuvent être rechargées au cours de leur vie par restauration de leur état d’origine, via l'application d'un courant de recharge.

Pour les applications électroniques, la technologie la plus couramment utilisée est le lithium-ion ; Saft conçoit et fabrique plusieurs technologies qui peuvent être classées dans la catégorie lithium-ion, qui est en fait un terme générique.

La plupart des objets connectés sont destinés à fonctionner de façon totalement autonome. Ils sont donc rarement connectés à une source d'énergie qui pourraient recharger leur batterie. C’est pourquoi, une majorité d’applications IoT utilisent des batteries primaires. Cependant, les batteries rechargeables de la gamme Saft xtd constituent un excellent backup pour les objets connectés utilisant des sources d'énergie renouvelables telles que le solaire. Contactez nos ingénieurs application pour déterminer quelle solution de batterie répond le mieux aux besoins et spécifications de votre produit.

Il existe différents modes de construction et de fabrication de batterie, qui ont un impact direct sur ses performances. Nous utilisons des procédés de fabrication spécifiques, afin de produire des éléments aux performances stables, reproductibles et conformes à leur conception. La plupart des applications IoT utilisent des batteries primaires de format cylindrique. On distingue ainsi deux types de construction :

• bobine
• spirale

La construction de type bobine est de forme cylindrique, comporte un support en carbone, isolé électriquement du godet par un séparateur et relié à la borne positive de la batterie placée au centre (cathode). Une couche de lithium-métal plaquée sur le godet forme la borne négative de la batterie (anode). Le godet est ensuite rempli d'un électrolyte.

Les éléments de type bobine présentent une plus haute densité d’énergie et une moindre auto-décharge par rapport aux éléments de type spirale, car la surface d’échange des ions est moins importante. Ce qui résulte en une puissance limitée de l'élément, souvent requise dans les applications LPWA (par exemple un équipement de classe 3 a besoin d’une puissance d'émission de 23 dBm). Pour pallier cet inconvénient, ces éléments sont montés en parallèle avec un composant, tel qu'un condensateur, un EDLC ou un condensateur hybride, afin de répondre à des besoins en courant de pulse élevés, tout en conservant une faible autodécharge.

La construction de type spirale se compose d’une superposition de couches anodiques et cathodiques isolées par un séparateur qui sont roulées formant ainsi une spirale, et placées dans un godet rempli d'électrolyte.

Les objets connectés IoT communiquant sur les réseaux LPWA ont besoin de courants de pulse élevés (par exemple, un appareil LPWA de classe 3 a une puissance de 23 dBm). Ainsi, une batterie de type spirale présente une plus grande surface d’échange des ions, et donc une puissance plus élevée qu’une batterie de construction bobine. L’inconvénient réside dans une moindre densité d’énergie (toujours en comparaison avec la construction bobine) et une autodécharge légèrement supérieure.

Il est difficile de répondre à cette question ! Pour déterminer quelle est la meilleure technologie de batterie pour votre application, vous devez tenir compte de plusieurs paramètres :

• la tension nominale et la tension d’arrêt de votre appareil électronique : en effet, Saft propose des technologies de différentes tensions nominales. Vous devez sélectionner celle qui vous permet de maintenir une tension supérieure à la tension d’arrêt de votre application tout au long de sa durée de vie.
• la température ambiante : certaines technologies fonctionnent mieux que d'autres dans des environnements chauds ou froids. Vous devez donc tenir compte du lieu d’installation de votre équipement IoT afin de garantir une alimentation optimale et continue de ce dernier.
• le profil de consommation, la valeur de pulse maximum et la fréquence des pulses : la technologie Li-SOCl₂ de type bobine convient mieux aux profils de consommation présentant des pulses modérés, ayant besoin d’une longue durée de vie, tandis que les technologies spiralées Li-SOCl₂ ou Li-MnO₂, et les solutions de type bobine + support de pulses sont particulièrement adaptées aux applications avec des pulses élevés.

N'hésitez pas à contacter nos ingénieurs applications afin de leur soumettre le profil de consommation de votre application et recevoir ainsi des conseils personnalisés.

Pour une batterie Li-SOCl₂, il est possible de procéder à des essais de vieillissement accéléré afin d'évaluer le comportement une fois passivé ou l'auto-décharge de la batterie. Cependant, il est important de souligner les difficultés de mise en œuvre et d'interprétation des essais de vieillissement accéléré, qui nécessitent de bien maîtriser la technologie concernée. Deux méthodes permettent d'« accélérer » artificiellement le vieillissement d'une batterie :

• augmenter la valeur du courant moyen de décharge ou de pulse: Saft ne recommande pas cette méthode, car il est impossible de comparer le comportement d'un élément soumis à un courant de décharge élevé et à un courant de décharge faible. Par conséquent, les résultats ne sont pas pertinents au regard d'une application IoT (faible courant + pulses moyens ou élevés).
• stockage des éléments à température + 60°C ~ + 70°C durant 1 semaine ou 2 puis tests par impulsions à + 20 °C) : cette méthode convient parfaitement pour accélérer les phénomènes de vieillissement tels que la passivation. En se basant sur des essais à long terme réalisés sur des éléments Li-SOCl₂ de Saft, le niveau de passivation suite à un stockage d'une semaine à + 70 °C correspond à environ 2 à 2,5 ans de stockage à température ambiante. Ces essais révèlent certes des tendances dans le comportement en vieillissement d'une batterie, mais les valeurs mesurées lors des tests en pulse suite à ce stockage, ne sont pas forcément représentatives des valeurs qu’on observera sur le terrain après 2 ans ou 2,5 ans d’utilisation. Les résultats sont à interpréter avec précaution !

D'après notre expérience le vieillissement d’une batterie de type Li-SOCl₂ ne peut pas se modéliser aussi simplement ! Mais un stockage à température élevé pourra néanmoins révéler des tendances ou des faiblesses de conception.

L’auto-décharge est un phénomène inhérent à tous les systèmes électrochimiques, qui a pour conséquence une perte de capacité disponible au fil du temps.

Le taux d'auto-décharge d’une batterie est un facteur important à prendre en compte, d’autant plus pour les applications IoT, car ces dernières doivent fonctionner plusieurs années avec la même batterie, sans possibilité de recharge.

Il faut distinguer les deux phénomènes d'auto-décharge :

• l'auto-décharge lors du stockage : la durée de stockage d'une batterie peut être importante et comprend les étapes suivantes :
  • la durée de fabrication de la batterie,
  • le délai jusqu'à son intégration dans l’objet connecté,
  • la livraison et le stockage de l’objet jusqu'à son déploiement sur le terrain.

Il est donc important de tenir compte de toutes les phases de stockage et de leur autodécharge associée.

• l'auto-décharge lors de l'utilisation, lorsque l’objet connecté est utilisé dans des conditions normales d’utilisation, prévues au cahier des charges.

Veuillez noter que le taux d'auto-décharge, dans des conditions normales d’utilisation, peut être très complexe à modéliser et dépend de plusieurs paramètres, notamment les courants de pulse et le profil de consommation, la température, l’âge de la batterie, etc.

Il est vivement recommandé de contacter votre fournisseur de batteries pour obtenir des conseils et des informations sur la manière de prendre en compte l’auto-décharge dans votre estimation de durée de vie.

La capacité nominale de la batterie correspond à la valeur affichée de la capacité en ampères-heures (Ah) mesurée dans des conditions opérationnelles définies, comme :

• le régime de décharge,
• la température ambiante,
• la tension d’arrêt.

La capacité se calcule en multipliant le courant de décharge par le temps de décharge jusqu’à ce que la tension d’arrêt définie soit atteinte.

De même, l’énergie d'un élément ou d'une batterie peut être donnée en watt-heures (Wh). Elle se calcule alors en multipliant le courant de décharge par le temps de décharge jusqu'à la tension d’arrêt définie, multiplié par la tension nominale de la batterie.

Pour les applications IoT, la capacité de batterie disponible varie en fonction des conditions réelles d’utilisation. De nombreux paramètres peuvent affecter la capacité de batterie disponible, notamment :

• la température,
• les courants de pulse et en pointe,
• le profil de consommation,
• la tension minimale de l’application (tension d’arrêt de l’électronique).

Par conséquent, il peut s'avérer particulièrement complexe de calculer de façon précise la capacité de batterie attendue pour votre application IoT, car il faut à la fois tenir compte des propriétés intrinsèques de la batterie, des paramètres d'utilisation et des conditions environnementales.

Nos ingénieurs d'applications peuvent vous aider dans cette demarche.

Pour bon nombre d'applications alimentées par batterie, les courants de pulse comptent parmi les aspects les plus importants de la conception. Dans le cadre notamment des applications LPWA (Low Power Wide Area), les courants de pulse du module de communication (Modem) ne doivent pas être sous-estimés. En outre, les MCU, les capteurs et les actionneurs ont souvent besoin de courants de pulse en même temps que le module de communication LPWA.

De manière générale, lors de la lecture des fiches techniques de batterie, il est important de bien comprendre que les courants de pulse des composants électroniques et la capabilité en pulse d'une batterie donnée ne sont pas comparables.

Les courants de pulse maximums spécifiés dans les fiches techniques de batterie sont déterminés selon des conditions de test très spécifiques. À titre d'exemple, ils sont souvent donnés pour :

• une certaine durée de pulse (par exemple 100 ms)
• une certaine fréquence de pulse (par exemple toutes les 2 minutes)
• à une certaine température (généralement + 20 °C).

La plupart du temps, ces conditions ne sont pas représentatives des conditions de votre application. De plus, le vieillissement et la température ont également un impact significatif sur la capacité des batteries à délivrer des pulses.

Pour cette raison, Il est vivement recommandé de contacter votre fournisseur de batteries pour des informations complémentaires et pour calculer de façon précise la durée de vie de la batterie.

La passivation est une réaction de surface que l’on peut observer sur la surface du lithium métal et qui se produit spontanément sur toutes les piles primaires au lithium contenant une cathode liquide comme les piles Li-SO₂, Li-SOCl₂ et les batteries Li-SO-Cl₂.

Cette réaction électrochimique correspond en fait à la corrosion du lithium métal par le solvant SOCl₂ se transformant en ions lithium. Celle-ci conduit à la formation d'une couche de protection solide empêchant la poursuite de la corrosion et permettant de prémunir la batterie d’éventuels courts-circuits internes. Cette couche superficielle est appelée «couche de passivation» : elle agit de la même manière qu’une peinture protégeant les métaux de la corrosion, c'est-à-dire qu'elle empêche la pile de se décharger toute seule et offre ainsi aux batteries primaires au lithium une longue durée de vie.

La couche de passivation est isolante électroniquement, ce qui peut avoir des conséquences sur le fonctionnement de la batterie. Sa structure, sa morphologie et son accumulation au fil du temps doivent donc être correctement gérées. En effet, la résistance interne de la pile augmente en raison de la présence de la couche de passivation, ce qui entraînera des lectures basses de la tension au démarrage (durant une période de l’ordre de quelques ms) lors du raccordement d'une charge résistive ou d'un courant à la pile.

Cette tension minimale transitoire (TMV) est également appelée «puits de tension». Après cette étape, la diffusion des ions lithium à travers la couche de passivation permet à la tension de la pile de retrouver sa valeur nominale. Cette deuxième étape est appelée «dépassivation» et est très importante pour un fonctionnement efficace de la batterie.

Plusieurs facteurs sont connus pour limiter l'effet de passivation, affectant la durée et la profondeur du retard de tension :

• L'électrochimie, la construction et la marque des piles au lithium (c'est-à-dire la conception interne exclusive à un fabriquant) : les systèmes électronichimiques à base de cathodes liquides sont de loin plus sujets à la passivation que les autres. Néanmoins, pour un type de technologie donné, certaines marques de batteries peuvent afficher une passivation plus légère / plus sévère que d'autres. Cela constitue une grande partie du savoir-faire de chaque fabricant de batteries primaires au lithium !
• La durée de stockage: plus le temps de stockage avant utilisation est long, plus la couche de passivation se développera (comme la rouille sur le fer).
• La température pendant le stockage et / ou le fonctionnement : plus la température est élevée, plus la couche de passivation se développera rapidement et plus les cristaux s'accumuleront. Inversement, à des températures froides, la passivation augmentera plus lentement, mais comme les réactions électrochimiques et de diffusion sont ralenties et que la viscosité de l'électrolyte est plus élevée qu'à température ambiante, l'effet de la passivation pourrait être plus visible, en particulier lors de forts appels de courant.

Les effets plus ou moins négatifs de la passivation dépendent de l'application dans laquelle seront utilisées les batteries :

• Les applications avec des pulses faibles à modérés (quelques mA), un tension de coupure inférieure à 2,5 V, couplée à un temps de réponse admissible de quelques secondes, et pour lesquelles de brèves chutes de tension sous la tension de coupure pourraient être tolérées, resteront en pratique compatibles avec une couche limitée de passivation.
• Les applications, avec des pulse et des tensions de coupure élevés, opérant à  haute température (c.-à-d. au-dessus de + 40° C), et pour lesquelles toute chute de tension sous la tension de coupure déclencherait un signal d'avertissement «batterie faible», ont plus de chances de trouver leur fonctionnement perturbé par la passivation.

Nous vous recommandons donc d'évaluer très soigneusement l'effet de la passivation lors de la sélection de vos batteries au lithium et de parler à l'un de nos conseillers afin qu’il vous recommande la meilleure solution pour votre application.

Les batteries de technologie lithium sont classées comme des marchandises dangereuses par l’ONU. Elles doivent donc respecter des règles spécifiques de transport, d’emballage et de déclaration. Elles doivent notamment satisfaire au protocole de tests standards du Manuel UN38.3 des tests et critères avant toute expédition. Pour plus d'informations, reportez-vous au texte du Manuel UN38.3.

Si vous êtes amené à transporter des batteries au lithium, seules ou intégrées à votre équipement, un TSR « Test summary report » peut vous être réclamé à toute étape du transport. De quoi s'agit-il exactement ?

Tout expéditeur de batteries doit fournir un  « test summary report » rapport de test, accessible sur son site Web, pour chaque référence de batterie à base de lithium expédiée. Il doit également se conformer aux règles de sécurité inhérentes au conditionnement et à la manipulation des batteries.

Saft publie l'ensemble de ses TSR en ligne. Il vous suffit de saisir la référence de la batterie concernée pour obtenir les documents requis. Consulter notre page en ligne ou scanner le code suivant : 

Que dois-je faire si j'expédie des équipements contenant des batteries au lithium ?

Nos clients, lorsqu'ils expédient des produits intégrant des batteries lithium et / ou lorsqu'ils envoient des batteries de remplacement à leurs propres clients, doivent également se conformer aux exigences UN38.3, notamment en ce qui concerne le test préalable de la batterie (s'ils fabriquent un pack batterie à partir de nos éléments), mais également les règles de conditionnement, de sécurité et de manipulation des batteries. Les employés doivent être dûment formés et certifiés. Pour plus d'informations, consultez les sites Intertek et IATA.