Fabriquez votre batterie lithium maison avec Barnabé Chaillot

Danger de la pile Li-ion

Si la charge se prolonge alors que la pile est déjà à 4,2V, il y aura échauffement jusqu’à détérioration complète de la pile, avec risque d’incendie. En cas de percement de la pile chargée, le lithium au contact de l’air s’enflamme.

Grâce à son enveloppe ronde en fer, la pile bâton 18 650 est peu sujette au gonflement et est moins facile à percer accidentellement. En cas de court-circuit de piles chargées, la puissance fournie est telle que la pile et l’objet du court-circuit vont chauffer très fort et certainement fondre ou s’enflammer.

Avant de nous lancer dans le reconditionnement d’une pile lithium, revoyons les bases…

L’énergie contenue dans l’électricité peut être comparée à l’énergie contenue dans l’eau, cela devrait aider à la compréhension. Les spécialistes feront plein de reproches à cette analogie, mais les néophytes progresseront !

Nous allons travailler ici avec du courant continu (pile, accu, batterie, panneaux photovoltaïques), à ne pas confondre avec le courant alternatif du réseau 230V généré par des alternateurs ou des onduleurs.

La formule magique qui permet de comprendre bien des mystères de l’électricité appliquée, c’est :
P = U x I (pour les pros)
watts = volts x ampères (pour les gens normaux)

Le plancher des vaches (ou des escargots !), c’est le 0V, la masse, le pôle négatif.

La hauteur d’eau correspond par analogie aux volts (la tension U). Disons qu’une batterie 12V, c’est un peu comme un bac d’eau placé à 12 mètres de hauteur.

Combien d’eau contient le bac ?
Pour le savoir, faisons un trou dans le fond du bac. Le courant d’eau qui va s’écouler, ce sont les ampères, soit une fuite d’électrons.

Observons et mesurons. Ce flux d’électrons multiplié par la hauteur d’eau en volts devient un flux d’énergie. Dans notre cas, un débit de 1 ampère que multiplient 12 volts donnera 12 watts d’énergie.

C’est quoi un watt ? C’est un joule par seconde.
C’est quoi un joule ? C’est une quantité d’énergie finie, qui correspond à peu près à l’énergie que recevront mes orteils si une pomme de 100g lâchée de 1 mètre de haut leur tombe dessus.
Là, c’est clair et ça doit faire mal. (Ep = mgh).

Revenons à nos moutons :
12 watts peuvent s’écouler de ma batterie chaque seconde, mais ça ne nous dit rien sur la quantité d’énergie stockée dans la batterie ! Il nous manque une durée. C’est sûr.

Disons que la batterie peut fournir 12W pendant 3.600 secondes (une heure).
Alors, 12W (12 joules par seconde) x 3.600 secondes = 43.200 joules, c’est l’énergie fournie par la batterie.

Ne partez pas, ça va se simplifier !

Comme ce sont des chiffres bizarres à manipuler, on a inventé une unité : le Watt heure, qui justement est la quantité d’énergie qui s’écoule pendant une heure. Ouf ! 12 watts pendant une heure devient donc 12Wh. Ça, c’est pratique.

Et si j’avais eu un débit de deux ampères, ça n’aurait rien changé à la quantité d’énergie contenue dans la batterie, car si le trou est deux fois plus gros, le débit sera deux fois plus élevé, mais durera deux fois moins longtemps. Pas bête !

Et c’est là que ça devient intéressant : si le tuyau qui relie le trou au plancher des vaches est trop petit (fil électrique fin), il ne va pas pouvoir supporter le débit. Il va chauffer et se rompre (comme un fusible). Sauf si on met un fil plus gros. Oui, mais on peut aussi mettre un étranglement dans le fil (genre une ampoule, un moteur…) et ainsi limiter le débit.

Ce sont des résistances (électriques), mais ça, c’est le niveau Expert ++, dont on n’a pas besoin pour commencer à faire une pile lithium. Cool !

Petit test pour valider votre formation niveau « Expert »

Si vous répondez correctement à ces trois questions, vous êtes à deux doigts de passer à l’acte :

• Question 1 :
  Notre réserve d’eau (batterie) de 12Wh pourrait donc alimenter une ampoule d’1 Watt pendant … heure(s) ?
• Question 2 :
  Vous avez acheté un moteur pour votre vélo de 360W (hors normes) et fabriqué une batterie 36V. Pour ne pas griller votre moteur neuf, un fusible de … ampère(e) fera l’affaire.
• Question 3 :
  Si je mets entre les bornes + et – de ma batterie 12V une ampoule de 6W, combien d’ampère(s) le fil électrique devra-t-il supporter ?

(réponses à la fin de l’article)

Que proposerais-tu concrètement pour concevoir une réserve d’électricité de A à Z dans une tiny, une yourte ou une cabane ?

Pour les petits espaces, un budget d’environ 250€ devrait suffire (ce prix ne comprend pas l’onduleur 220V).

Le but est de pouvoir charger, stocker et utiliser 200Wh d’électricité quasi quotidiennement. Il est nécessaire d’avoir plus ou moins 6 paquets de 10 ou 12 piles « 18 650 ».

Dans le jargon, c’est une 6S10P ou 6S12P (S pour « série » et P pour « parallèle ») capable de stocker 400Wh d’électricité (pour seulement 2 jours d’autonomie !).

Une fois tout le matériel réuni, comptez environ une journée à deux pour réaliser l’ensemble du système.

Matériel

• Des BMS 6S 20 A Daly qui n’ont que deux sorties (common port) capables de supporter 20A, à 15€ sur Internet.
• 15 boîtes de 4 piles pour 20€ (l’ensemble), support recharge « 18 650 » x 4 dont chaque ressort supporte 2A.
• Du fil de cuivre d’une section de 2,5mm² pour absorber les 20A maximum pour relier les différents éléments, 20€ les 100m, et un support de fusible voiture.
• Entre le panneau et les piles, il faudra un contrôleur (régulateur) de charge PWM SL02B Solar de 20A à 15€ aussi.
• Un panneau plutôt rigide avec cadre en aluminium de 270W (Oscaro Power, fabriqué en Chine) 198€ port inclus (sinon, 99€ en le prenant dans l’entrepôt en Isère).
• Un convertisseur Orion DCDC 24/12 20A (240W max) de chez Victron pour décharger une batterie entre 17 et 36V et qui délivrera toujours du 12V fixe. Prix : 50€.

Cette batterie est à conserver entre 0°C et 45°C (optimum à 20°C) lors de fort chargement ou déchargement, donc en intérieur en hiver, dans une boîte en bois ou en plastique isolée. Le tout devra se trouver dans une plus grande boîte incombustible en métal percée. En cas de souci, il y aura de la fumée, mais le feu sera contenu à l’intérieur de la boîte.

Il existe un risque d’incendie, mais, objectivement, les 3.500 décès routiers annuel en France ne nous empêchent pas de monter dans une voiture !

Protocole artisanal *

Dégager les piles de leur enveloppe plastique
Avec une pince multiple, se saisir des parties fines et arracher les morceaux de plastique, sans faire levier sur les piles, car une pile cabossée aura une autodécharge très importante et, au final, rendra tout l’ensemble inopérant.

Séparation individuelle des piles 18 650
Deux cas :

• soit vous avez prévu de les réassembler en les soudant avec un fer à souder et de l’étain, et dans ce cas il faut laisser un morceau de languette (bandelette de métal qui relie les piles entre elles) pour pouvoir les réassembler, sinon cela va chauffer la pile (en soudant) et l’abîmer ;
• soit vous avez prévu de racheter des bandelettes de nickel pour les réassembler chez vous ou dans un fablab avec une soudeuse point par point à 50€, ou bien vous avez prévu de les mettre dans un étui avec un ressort des deux côtés, alors vous pourrez, en désassemblant les piles, enlever délicatement les languettes avec une pince (attention à ne pas faire levier et mettre en contact les deux pôles de la pile).

Trier les bonnes piles des mauvaises (80% des piles récupérées sont encore très très bonnes)

Visuellement, toutes celles qui ont des dépôts d’oxyde rouge en périphérie ou des creux ou celles dont le plastique périphérique gondole ou s’écaille sont à mettre au rebut (cela représente environ 10% seulement des piles que j’ai démontées).

Ensuite, il va falloir tester la capacité de stockage d’électricité de chaque pile. J’ai acheté pour cela un chargeur dit « intelligent » pour 30€ sur Internet. Il s’appelle OPUS BT-C3100 2. Il va dans un premier temps charger les piles (x4), puis les décharger en comptant l’énergie restituée, puis les recharger et indiquer sur un écran LCD la valeur de stockage individuelle de chaque pile en mAh.

L’opération dure +/- 8 heures, suivant la vitesse de charge et de décharge que l’on souhaite tester. Car plus on veut décharger vite et moins on peut récupérer d’énergie. D’où l’idée d’un léger surdimensionnement du stockage par rapport aux besoins pour une décharge dite « lente ».

Dans ce processus, certaines piles (5%, d’après mes expériences) se mettent à chauffer et atteignent difficilement 4,2V. Ces dernières sont également à mettre au rebut. Les autres sont stockées proprement dans une boîte en bois (type pour bouteille de champagne) .

Lors du réassemblage, qui se fera plus tard, ne seront gardées que les piles qui sont restées au-dessus de 4V (piles sans autodécharge).

Capacité de stockage ?

Neuves, les piles, suivant leurs caractéristiques, stockent entre 1.800mAh et 3.000mAh, pour les dernières générations. Ça fait combien d’électricité ? On peut, en multipliant cette valeur par 3,7V, obtenir un résultat en Wh (cf. formule magique). Soit un stockage entre 6,6Wh et 11,1Wh.

Quand je teste une pile pour la première fois, j’écris dessus avec un feutre indélébile fin la valeur en V de départ, même si je n’ai pas trouvé de différence notable dans toutes mes expériences entre une pile récupérée à 1,5V et une autre à 3V.

Je note ensuite sur la pile sa capacité. Celles qui ont une valeur en dessous de 1.500mAh (10% des piles) ne vont pas m’intéresser, car j’ai assez à faire avec toutes les autres.

Comment réassembler mes piles ?

Si c’est pour de l’éclairage, un peu d’ordinateur plus une petite pompe, ça peut être sympa de vouloir du 12V (trois ou quatre séries de piles devraient suffire). Si c’est pour onduler en 230V pour des besoins ponctuels, la taille des fils sera divisée par deux si on stocke l’électricité sous 24V (six séries de piles). Si c’est pour la batterie d’un vélo électrique 36V, prévoir un 10 S (10 séries de piles) est classique.

Mettre les piles en parallèle va permettre d’augmenter la capacité de stockage et les mettre en série va en augmenter la tension (les volts).

Chaque étage doit être homogène (même capacité) et sera donc surveillé individuellement (ne pas aller en dessous de 2,9V et pas au-dessus de 4,2V). On utilise pour cela un BMS, Battery Management System, qui agit comme un interrupteur dès qu’un seul des étages sort de cette consigne.

Remarque : l’électricité est fainéante, elle passe par le chemin le plus court. Pour éviter des passages préférentiels dans certaines piles, référez-vous au dessin ci-dessus.

Sécurité ?

• Systématiquement, j’installe des porte-fusibles de voiture à 1€ en entrée comme en sortie de batterie. Ainsi, en cas de court-circuit, c’est le fusible qui lâche.
• Les batteries lithium n’aiment pas être vidées et rechargées en dessous de 0°C.
• Mettre la batterie lithium dans une boîte percée, mais ininflammable, à bonne distance de tout objet inflammable.
• L’idéal serait de mettre un thermomètre électronique coupe-circuit, ce que je ne fais pas tout le temps, car je ne charge jamais très vite mes batteries (petits panneaux solaires).

Comment recharger une batterie lithium maison ?

Toutes les batteries sans exception ont besoin d’un régulateur de charge. Deux technologies différentes sont disponibles : le PWM, qui essaie d’optimiser l’énergie du panneau sans trop y arriver, mais qui n’est vraiment pas cher, et le MPPT, qui va traquer sans cesse l’optimum de production des panneaux. Il est beaucoup plus cher.

Le SLO-2B technologie PWM permet de charger, entre autres, des ensembles de trois, quatre ou six séries de piles lithium-ion pour 30€.
Le SmartSolar 100/30 technologie MPPT permet de choisir les ampères et les volts en entrée de batterie. Le plus avec lui, c’est de pouvoir charger une toute petite batterie chaque jour, même avec des gros panneaux, si on en a. Sa fonction Bluetooth (high-tech et pas décroissante du tout…) permet de visualiser l’historique, ce qui est chouette les premiers jours (250€, tout de même).

À quelle vitesse peut-on recharger/décharger une batterie maison ?

Étant donné que j’ai testé la charge/décharge de mes piles 18 650 à 1.000mA sur l’OPUS, il est raisonnable de rester dans cette gamme, même si c’est bien inférieur aux recommandations des constructeurs.

Exemple : si vous avez une batterie maison 10 S 5 P quoi ???, je dis que si vous avez une batterie qui contient 50 piles arrangées en 10 séries de cinq piles aaaah OK, la moyenne de chaque pile étant de 3,6V, l’ensemble sera à 36V. Les cinq piles en parallèle contenant 10Ah d’énergie, l’ensemble des 10 séries aura 360Wh d’autonomie.

Il sort d’où, le 10Ah ? Eh bien, chaque pile contient 2.000mAh (après le test de tri), donc cinq mises en parallèle donneront 10Ah (aaah ! merci). Il est donc raisonnable de ne pas dépasser une charge de 5A (test de charge/décharge à 1.000mAh max pour chaque pile).

Pour la décharge, je propose de faire la même chose. La charge/décharge est alors de 5A x 36V = 155W max.

Quelle dimension de panneau photovoltaïque utiliser ?

On a vu dans le paragraphe précédent qu’il faut au maximum 155W pour 10 séries de cinq piles.

Mais si le panneau est trop puissant (270W) et n’a pas assez de volts (27V) ? (cas merdique mais classique)

Il faut alors réarranger sa pile pour qu’elle corresponde au panneau : six séries de 10 piles (25V max x 10A = 250W) et changer de BMS, bien évidemment.

Hé, M’sieur, M’sieur, si je veux charger ma batterie 36V mais que je n’ai qu’un gros panneau 300W en 18V, je fais quoi ? (cas classique des vélos solaires)

Il est possible de booster les volts d’un panneau solaire. Ça s’appelle un « boost converter » et certains font même MPPT (merci au passage à l’association Vécolo pour le lien vers cet outil). Explication détaillée dans la vidéo intitulée « Vélo solaire, transport gratuit ».

Il est possible également de mettre les panneaux en série pour en additionner les volts.
Exemple : deux panneaux de 20W 18V donneront 20W 36V.

Hé, M’sieur, M’sieur, comment on fait pour alimenter une ampoule 12V avec une batterie 6 S de 24V sans la cramer ?

Très pertinent, comme question ! Il faut utiliser un « buck converter » (prix : de 20€ pour 5A à 50€ pour 20A).
Exemple : le convertisseur Orion DC DC 24/12 5 A.