Prendre soin de nos LiPo

Batterie Lipo gonflée ?

Tôt ou tard, une batterie LiPo va gonfler, indiquant que ses jours sont comptés. Mike Freeman nous en expose les raisons, et ce qu’il faut faire pour retarder ce phénomène le plus longtemps possible.

A gauche, une batterie qui « a vécu » ! A droite, une batterie neuve. Elle est plus « svelte » !

Il ne fait aucun doute que les batteries Lithium Polymère (LiPo) ont révolutionné le vol électrique. Il est loin le temps où l’on considérait comme un exploit de voir voler au-dessus de nos têtes un modèle électrique. Le vol électrique est aujourd’hui une (certains diraient la meilleure) alternative directe au vol thermique ; aujourd’hui, les modèles propulsés par une batterie LiPo peuvent facilement monter à la verticale et ont bien assez de puissance pour passer toutes les figures acrobatiques possibles et imaginables.

La chimie des batteries Lithium Polymère n’est cependant pas sans travers et, en conséquence, nos batteries LiPo ont besoin de toute notre attention, surveillance et soin. Le premier signe visible d’un problème apparaît quand une batterie commence à gonfler. Dans cet article, nous allons voir les raisons de ce gonflement, et ce que nous devons faire pour prendre correctement soin de nos batteries, pour prolonger leur durée de vie, et ce que nous devons faire pour éliminer une batterie défectueuse.

POURQUOI SE MET-ELLE A GONFLER ?

Le gonflement d’une batterie LiPo et un signe évident qu’elle s’approche de la fin de sa vie utile. Plusieurs raisons font qu’une batterie gonfle, et il n’est généralement pas nécessaire de savoir quelle est la raison précise du gonflement. Ci-dessous (dans aucun ordre précis), vous trouverez les causes de ce gonflement, avec toutes les combinaisons possibles :

• Chaleur excessive
• Courant de décharge excessif
• Charge excessive
• Tension trop basse
• Stockage de longue durée à pleine charge
• Résistance interne accrue
• Age
• Défaut de fabrication

Prenons en exemple deux batteries gonflées, appelons-les celles de Mathieu et celle de Jules (ndlr : toute ressemblance avec des membres du CAMS ne serait que pure coïncidence). Ces deux batteries ont eu des traitements différents durant leurs vies. La batterie de Matthieu a été régulièrement stockée à pleine charge pour de longues périodes, et a été utilisée en décharge importante avec un modèle 3D. Au contraire, la batterie de Jules, plus âgée, a eu une vie plus paisible ; elle a toujours été stockée à 50% de sa charge max, et utilisée avec plus de précautions aux gaz ; elle a fait l’objet d’une utilisation moins intensive. Il est clair que c’est une combinaison différente des facteurs sus mentionnés qui s’est produite dans chacun des cas précédents, mais le résultat est le même – le gonflement de la batterie.

L’EXPLICATION SCIENTIFIQUE

Si vous regardez de près une batterie LiPo pour modèle électrique, vous verrez, sous la couverture extérieure aux couleurs chatoyantes, plusieurs empilements de feuilles, chacun de ces empilements étant une simple cellule LiPo. Le nombre présent sur une cellule LiPo (3S, 4S, etc.) représente le nombre de cellules dans la batterie, le « S » représentant simplement le fait que les cellules sont connectées en série. Comme dans toutes les batteries, il y a trois composants principaux dans une cellule LiPo ; une cathode, une anode et un électrolyte. Dans une cellule LiPo, on observe plusieurs couches d’anodes et de cathodes séparées par l’électrolyte, lui-même étant intégré dans un séparateur isolant évitant le contact entre les couches. Ça ressemble un peu à des lasagnes, comme le montre la Fig.1 ci-dessous.

Toutes les couches de cathodes sont connectées entre elles pour former le pôle positif. De même, toutes les anodes sont connectées entre elles pour former le pôle négatif. Les couches d’anodes et de cathodes sont composées de lithium mélangé au niveau moléculaire avec d’autres éléments (selon le fabricant) et l’électrolyte est un polymère conducteur qui permet aux ions de lithium de circuler de la cathode vers l’anode pendant la charge et de l’anode vers la cathode lors de la décharge.

Donc, que peut-il bien se passer à l’intérieur de ces petits sacs stratifiés et dont le résultat est le gonflement ? Quand une batterie est maltraitée par une charge excessive, une décharge excessive (courant et/ou tension), une surchauffe ou un stockage de longue durée à la charge maximum, il se produit différentes réactions chimiques à l’intérieur des cellules, ce qui conduit les atomes de lithium à s’échapper des anodes et des cathodes. De plus, les atomes d’oxygène quittent les électrodes et l’électrolyte. Une fois ces atomes libérés, il n’y a pas de retour en arrière, et ces derniers ne jouent plus aucun rôle dans le stockage ou la distribution de l’électricité. Pire encore, si la batterie est soumise à une température excessive, ces atomes libres se combinent entre eux pour former des molécules très néfastes.

Quand on combine deux atomes de lithium et un atome d’oxygène, cela forme de l’oxyde de lithium – Li²O (c’est-à-dire de la rouille de lithium, tout à fait comparable à de la rouille de fer ou d’acier), qui se développe sur l’anode et sur la cathode. Cet oxyde de lithium bloque le courant électrique, augmentant ainsi la résistance interne de la batterie (plus d’info sur ce phénomène dans les lignes qui suivent) et réduisant de fait sa capacité. La résistance interne accrue génère plus de chaleur, ce qui entretient ce cercle vicieux. Les atomes d’oxygène encore libres se combinent entre eux (ainsi qu’avec les atomes de carbone de l’anode) pour former du dioxygène, du dioxyde et du monoxyde de carbone – tous ces gaz concourant aussi au gonflement de la batterie.

Le lithium est un métal alcalin, dont une des propriétés est de former une réaction violente en présence d’eau. Ce n’est pas un problème pour les modélistes car le lithium est hermétiquement scellé à l’intérieur des sacs de strates qui constituent une batterie LiPo. Cependant, si de l’eau pénètre dans la batterie lors de sa fabrication, ou à travers un petit trou présent sur celle-ci à la suite d’un accident, alors le processus de gonflement s’accélère. Une fois que de la vapeur d’eau (H²O) s’immisce dans la batterie et que les atomes de lithium commencent à s’échapper, les atomes d’oxygène supplémentaires accélèrent la production d’oxyde de lithium et les atomes d’hydrogène restants se combinent avec le lithium pour former de l’hydroxyde de lithium – encore un autre gaz qui concourt au gonflement. Le fait que de la vapeur d’eau pénètre dans la batterie durant sa construction en usine constitue peut-être une explication au gonflement rapide de certaines batteries dont nous prenons néanmoins grand soin.

Si les réactions chimiques s’emballent, par exemple lors d’une surcharge (intensité ou tension trop importantes) alors encore plus d’atomes de lithium et d’oxygène sont libérés, il y a plus de production d’oxyde de lithium, la résistance interne augmente et donc la chaleur monte, libérant plus d’atomes de lithium et d’oxygène, etc. il s’ensuit une spirale infernale, une divergence thermique. Dans ce cas extrême, la pression interne des cellules peut atteindre un point tel que le sac explose et que le cocktail de gaz de lithium et d’oxygène se combine avec plus d’oxygène et de vapeur d’eau de l’air, pour conduire à une combustion spontanée.

Ces conditions extrêmes n’arrivent que dans le cas où la batterie LiPo a été maltraitée. En vous conformant aux indications qui suivent, votre batterie vous rendra de loyaux services sur la durée. Selon l’auteur, la chimie des batteries LiPo a des bénéfices qui surpassent ses désagréments.

QU’EST-CE QU’UNE LIPO GONFLEE ?

Quand vous recevez une batterie LiPo neuve – elle est ferme et carrée, sans aucun signe de gonflement ou de boursouflure sur ses différentes faces ; si vous la posez sur une table, elle y sera stable sans balancement de droite à gauche. Tant qu’on en prend soin, il n’y a aucune raison qu’elle ne vous fournisse pas de bons et loyaux longs services ; néanmoins, avec le temps apparaîtra un léger gonflement ; cela empirera immédiatement après un vol par une chaude journée mais la batterie se dégonflera en refroidissant. En la posant sur une table, elle se balancera de gauche à droite, et présentera les signes classiques de gonflement.

La question que l’on peut se poser est la suivante : quand le gonflement devient-il trop important ? On pourrait répondre que dès les premiers signes de gonflement, quelque chose ne va pas, mais un léger gonflement peut néanmoins être acceptable tant que vous utilisez cette batterie de manière raisonnable, sans lui en demander trop en termes de puissance (par exemple pour un moto-planeur) et en la vérifiant et en en prenant soin régulièrement, notamment en équilibrant les cellules à chaque charge, en vérifiant sa résistance interne et sa capacité de charge max.

Selon l’auteur, on peut tolérer 2 mm de gonflement ; plus, et la batterie doit être éliminée. L’auteur surveille également régulièrement l’équilibrage, la capacité et la résistance interne, tous ces éléments entrant en ligne de compte dans la décision à terme de se débarrasser de la batterie LiPo.

Quand vous testez le gonflement, n’utilisez pas vos ongles, car cela pourrait percer la cellule, ce qui causera une dégradation autour de ce traumatisme. Utilisez seulement le bout de vos doigts, en pressant doucement durant le test.

COMMENT RETARDER LE GONFLEMENT ?

Voici quelques recommandations pour prendre en compte les responsables de ces gonflements et ainsi retarder la fin de vie d’une batterie.

• Évitez les fortes chaleurs !

La chaleur est l’ennemi n°1 des batteries LiPo. On ne doit pas seulement surveiller la chaleur générée par la charge et la décharge de la batterie, mais également lors du stockage de cette dernière. La température maximale acceptable est généralement autour de 55 – 60°C ; toute température supérieure augmente les réactions chimiques qui causent le gonflement et peut conduire à une divergence thermique. Ainsi, ne laissez jamais vos LiPo dans une voiture surchauffée par le soleil, ou un abri ou un garage surchauffé, et si vos batteries sont plus chaudes qu’une tasse de café quand vous vous posez, alors jetez un œil plus précis à ce qui cause cette chaleur excessive.

L’auteur s’inquiète si ses batteries atteignent une température de 40 – 45°C quand il se pose. Bien sûr, cela va sans dire, laissez refroidir vos batteries avant de les recharger.

• Évitez une décharge violente avec un courant excessif.

Sur chaque batterie LiPo est inscrit un courant de décharge maximum, généralement présenté par un multiple de sa capacité (C). Une batterie de capacité 2200mAh peut avoir un taux de décharge max de 25C, ce qui veut dire un courant de décharge max de 2.2A x 25 = 55A (l’auteur mentionne le taux de décharge comme étant « indiqué » car les industriels ont toujours tendance à exagérer les taux de décharge). Pour augmenter la durée de vie d’une LiPo, vous devez toujours essayer de limiter le courant de décharge – dans l’idéal 50%, pour un maximum de 80% du taux indiqué. Dans notre exemple ci-dessus, cela nous donnerait une combinaison moteur et hélice qui demande à notre batterie au maximum entre 28 et 44A.

• Évitez la surcharge

Il y a deux paramètres à prendre en compte ici ; le taux de charge et la tension maximum. Les batteries modernes peuvent a priori supporter une charge de 5C, mais il est clairement évident que cela détériorera la batterie très rapidement et donc causera son gonflement. Il est donc bien meilleur de limiter le courant de charge à un maximum de 1 – 1.5C. En prenant notre exemple d’une LiPo 2200mAh, cela nous donnera un courant de charge compris entre 2.2A et 3.3A.

Veillez toujours à charger vos LiPo en équilibrant la charge des cellules pour s’assurer que chaque cellule se charge à un maximum de 4.2V. Ce chiffre demande également à être modulé, car la tension maximale acceptable d’une cellule LiPo dépend de sa température ; 4.2V est valable à température ambiante. Si la température de la cellule LiPo baisse, de même la tension maximum autorisée. Par exemple, à 10°C, la tension maximale acceptable pour une cellule LiPo est de 4.1V. Si une cellule est chargée à 4.2V à température ambiante et ensuite emportée sur un terrain où il gèle, elle passera alors en surcharge ; donc, gardez vos LiPo au chaud lors d’une journée froide. Si sur votre chargeur de batterie, vous pouvez ajuster la tension max de vos cellules, programmez-la à 4.15V (encore plus bas en hiver) pour maximiser la durée de vie de vos batteries, et vous ne remarquerez presque pas la chute légère de capacité.

• Évitez une faible tension

Vous ne devriez jamais décharger vos LiPo à moins de 3V par cellule ; essayez toujours de poser vos modèles avec au moins 20% de capacité restante dans la batterie. Après un vol, la tension restante dans une cellule doit être au minimum de 3.7V. Toute valeur inférieure à celle-ci indique que la tension de la cellule est certainement passée sous la barre des 3V en décharge pendant le vol (ndlr : nos contrôleurs de vol sont programmables. En général, les paramètres d’usine sont bien suffisants pour faire voler nos avions, mais nous pouvons influer sur plusieurs paramètres dont la coupure des gaz en cas de décharge excessive de la batterie. Ces informations feront l’objet d’un article ultérieur.).

Pour un fan du vol électrique, un testeur de batterie est un instrument incontournable à détenir dans sa caisse à outil. Branchez votre prise d’équilibrage sur cet instrument en fin de vol pour rapidement vérifier l’état de la batterie. Cela vous permettra de prendre en compte toute surconsommation et donc d’ajuster votre temps de vol par la suite.

• Stockage minutieux

Stockez toujours vos batteries à 50% de leurs capacités max. La plupart des chargeurs de bonne qualité possèdent une fonction de charge pour le stockage qui charge ou décharge votre batterie à une tension de cellule de 3.85V. Essayez de prendre l’habitude de charger ou décharger vos batteries après chaque vol à leur tension de stockage. Vous en tirerez deux bénéfices – vous augmenterez le temps de vie de vos batteries et vous réduirez le temps de charge avant la prochaine session de vol.

• Défauts de conception

Il n’y a rien d’autre que vous puissiez faire dans ce domaine, en tant que clients, que d’acheter des batteries chez un fournisseur de bonne réputation, qui propose en plus un contrat de garantie.

RÉSISTANCE INTERNE

Dans la plupart des cas, on ne vérifie jamais la résistance interne (RI) d’une batterie LiPo. Cependant, une résistance élevée implique de lourdes conséquences. La RI augmente inévitablement avec l’âge, et cette augmentation est accélérée si la batterie est maltraitée par l’une ou l’autre des conditions listées précédemment.

D’une manière générale, plus la batterie est grosse, plus la résistance interne est initialement faible. Une batterie typique de 2200mAh en bonne condition a une RI de l’ordre de 10 – 20mΩ ; ce n’est évidemment pas une valeur fixe ; celle-ci varie avec la température mais également avec la qualité du stockage Les RI de chaque cellule sont ajoutées les unes aux autres pour donner la RI totale de la batterie (ndlr : c’est le principe de l’addition des résistances sur un montage en série). Si une batterie 3S a des cellules de RI respectives de 12, 13 & 15mΩ, alors la RI totale de la batterie sera de 40mΩ. Avec l’âge, la RI augmente en raison de la présence toujours plus grande de Li2O. Les batteries gonflées de Mathieu et de Jules évoquées plus haut ont des RI de l’ordre de 35mΩ par cellule ; comme ce sont des 3S, la RI totale avoisine les 105mΩ – une augmentation de près de 3 fois la valeur idéale.

L’augmentation de la RI a deux implications importantes :

• Puissance réduite

Dans un circuit électrique, la résistance restreint le flot du courant. Dans nos modèles, cela se manifeste par une tension disponible plus faible pour nos moteurs, avec pour conséquence un régime moteur plus faible. L’équation relative à la chute de tension est :

Chute de tension = Ampérage x Résistance

En prenant pour exemple les batteries dégradées de Mathieu et de Jules, en supposant un courant de décharge de 35A et une RI initiale de 40mΩ, la chute de tension est donc :

 Chute de tension = 35A x 40mΩ = 1400mV ou 1.4V.

Cela veut dire que l’on a seulement 11.1 – 1.4V = 9.7V qui est fourni par la batterie. Prenant en compte une RI de 105mΩ sur les deux batteries précédentes, la chute de tension est donc :

 Chute de tension = 35A x 105mΩ = 3675mV ou 3.7V.

Cette fois-ci, on a encore moins de puissance libérée par la batterie, soit seulement 11.1V – 3.7V = 7.4V. En fait, l’augmentation de la RI réduirait aussi le courant max délivré par la batterie, donc la chute de tension serait légèrement moindre que celle donnée ci-dessus, mais le principe est le même.

• Augmentation de la chaleur

La RI d’une batterie génère de la chaleur à l’intérieur de celle-ci, justement là où nous ne la voulons pas. L’énergie calorifique est mesurée en Watts, et la formule associée est :

 Watts = Ampérage² x Résistance

En prenant les mêmes exemples que précédemment, en supposant une RI initiale de 40mΩ, l’énergie calorifique générée est de :

Energie calorifique = 35A x 35A x 40mΩ = 49.000mW ou 49W

Les batteries étant maintenant prises en compte dans leur état dégradé avec une RI de 105mΩ, l’énergie calorifique générée est de : 

Energie calorifique = 35A x 35A x 105mΩ = 128 625mW ou 128.6W

C’est donc 128W de chaleur qui s’accumulent dans la batterie !

COMMENT MESURER LA RÉSISTANCE INTERNE

Comme vu précédemment, la RI a un effet significatif sur les performances et la longévité de nos batteries LiPo. Donc, comment peut-on surveiller ce paramètre ? Premièrement, nous devons appliquer une certaine discipline. Puisque la RI varie en fonction de la température et de l’état de charge, il faut toujours tester les batteries dans les mêmes conditions à chaque fois que la RI est mesurée. L’auteur vérifie toujours ce paramètre à température ambiante, autour de 20°C et à une tension de stockage de 50% de la capacité de la batterie.

De nombreux chargeurs de bonne qualité peuvent mesurer directement la RI. C’est de loin le moyen le plus rapide de vérifier l’état d’une batterie ; le chargeur donne la RI de chaque cellule, certains les additionnent pour donner la RI totale de la batterie (NDT : allez voir dans les menus de vos chargeurs, vous aurez peut-être cette fonctionnalité. Le responsable de l’atelier dispose d’un chargeur qui a cette capacité).

SI votre chargeur ne dispose pas de cette fonction, vous pouvez utiliser un Wattmètre, le principe étant de mesurer tension et courant à deux conditions différentes :
– Condition 1 – manette de puissance à 40%,
– Condition 2 – manette de puissance à 100%C.
La RI est déterminée par la formule suivante :

Résistance interne = différence de tension ÷ différence d’intensité

DE LA THÉORIE A LA PRATIQUE

Ajout du traducteur :  j’ai utilisé un Wattmètre Turnigy qui me donne directement une lecture tension et intensité pour deux positions de la manette des gaz (40% et 100%). En voici les photos et le calcul de la RI de la batterie testée.

à vide

 

gaz à 40% Tension = 12.47V Intensité = 1.34A

 

gaz à 100% Tension = 12.41V Intensité = 1.98A

 

Le calcul donne pour cette batterie : (12.47 – 12.41) / (1.98 – 1.34) = 94 mΩ.

Bon… Elle est plus trop en forme…

ÉLIMINATION – RECYCLAGE

Même si vous êtes très précautionneux, le gonflement arrivera à un moment ou à un autre et vous aurez à vous séparer de votre batterie et à l’éliminer. La méthode la plus simple est tout d’abord de décharger votre batterie jusqu’à 0V, soit avec un chargeur disposant de cette fonction ; soit en y connectant un appareil (ampoule, moteur, etc., une simple ampoule 12V convient pour une LiPo 3S). Surveillez constamment la batterie durant la décharge et quand zéroV est atteint, coupez les connecteurs et raccourcissez les fils + et -. Cela rendra votre batterie prête à être éliminée et recyclée dans votre déchetterie.

Décharge complète d’une batterie 3S avec une ampoule 12V

Ne tentez sous aucun prétexte de planter une aiguille dans une batterie LiPo gonflée et encore chaude, dans le but de faire chuter la pression. L’auteur connait quelqu’un qui a essayé ça, il s’est produit dans les secondes qui ont suivi une flamme comparable à un fumigène de détresse, ainsi qu’une pièce remplie de fumée âcre ; il a réussi à jeter la batterie à l’extérieur, et celle-ci a continué à bruler quelques temps. Vous aurez été prévenus !

CONCLUSION

Comme nous l’avons vu, le gonflement des LiPo semble inévitable, mais, avec du soin et de l’attention et des vérifications régulières, il semble possible de retarder cet effet assez longtemps pour bénéficier d’une utilisation optimale de nos batteries.

Traduction : Pierre-Xavier O.
Crédit photos : Pierre-Xavier O.