Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Cet article présente le mécanisme de fonctionnement des batteries lithium-ion ainsi qu'un aperçu des avancées actuelles dans les matériaux des électrodes négatives et positives et des électrolytes. Les batteries Li-ion se sont imposées comme le premier choix en technologie de batterie en raison de leurs densités énergétiques spécifiques et volumétriques remarquables de 270 Wh/kg et 650 Wh/L, respectivement, associées à leur durée de vie exceptionnelle et à leur coût relativement abordable, d'environ 100 dollars par kWh. Compte tenu de la nature dynamique du secteur de l'énergie, il existe un besoin pressant de nouvelles chimies de stockage, qui sont brièvement présentées dans la dernière section de cet article.
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Jolanta ŚWIATOWSKA : Directrice de recherche au CNRS - CNRS-Chimie ParisTech, Institut de recherche de Chimie Paris, Paris, France
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Domitille GIAUME : Professeure de chimie ParisTech - CNRS-Chimie ParisTech, Institut de recherche de Chimie Paris, Paris, France
INTRODUCTION
Les batteries lithium-ion que nous utilisons tous dans nos téléphones ou ordinateurs portables sont le produit technologique de plus de deux siècles de découvertes, de recherche et de développement. Si les briques essentielles du stockage électrochimique de l’énergie ont été posées par des pionniers comme Galvani, Volta, Faraday ou encore Daniell, c’est à Davenport que l’on doit le premier engin électrique fonctionnant à l’aide d’une pile Volta apparu en 1835. La découverte par Planté du premier accumulateur rechargeable, la batterie au plomb-acide, a permis le développement des premiers véhicules électriques du XXe siècle, en plus d’être utilisé dans les véhicules thermiques. D’autres systèmes d’accumulateurs ont ensuite vu le jour, notamment les technologies nickel-cadmium, nickel-métal hydrure, ou encore au lithium. Cependant, il a fallu attendre la dernière décennie du XXe siècle pour voir le développement commercial d’accumulateurs avec une technologie lithium-ion émerger. Ce délai est principalement lié au développement d’une technologie robuste permettant la recharge de l’accumulateur de manière sécurisée et répétable sur de nombreux cycles. Depuis, les accumulateurs lithium-ion, plus communément appelés « batteries lithium-ion », n’ont cessé de voir leur marché augmenter et sont devenus indispensables dans la petite électronique, les ordinateurs portables, l’outillage portatif, ou encore pour la mobilité électrique.
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- Version archivée 1 de août 2005 par Jack ROBERT, Jean ALZIEU
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Électrodes positives
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2. Application aux accumulateurs lithium
Afin de maximiser la tension aux bornes de l’accumulateur, il est nécessaire de travailler à l’électrode négative avec un matériau très réducteur, ce qui a mené à l’utilisation du lithium métallique dans un premier temps. La réaction se produisant à cette électrode négative pendant la décharge s’écrit selon la demi-équation :
où
est l’électrode normale à hydrogène. Le potentiel standard du couple
est le plus bas connu, bien inférieur à celui du couple H+/H2. Le lithium est donc très réactif en présence d’eau, ce qui oblige à le manipuler en atmosphère sèche. Cette caractéristique, ainsi que la fem élevée d’un accumulateur à anode au lithium, largement supérieure à la tension de dissociation de l’eau, interdit la présence d’un électrolyte aqueux. La recherche d’électrolytes organiques adaptés à l’utilisation de lithium métallique a débuté dès les années 1960.
Pour réaliser un accumulateur secondaire au lithium, on a ainsi cherché à associer au lithium métallique un matériau oxydant, capable de mettre en jeu des ions lithium dans une réaction de réduction réversible, et un électrolyte organique. La réaction au sein du matériau oxydant de forme générale
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BROUSSELY (M.) - Presentation Batterie Lithium Conference. - Pont-à-Mousson.
-
(2) - WHITTINGHAM (M.S.) - Lithium batteries and cathode materials. - Chem. Rev., 104(10), p. 4271-4302 (2004).
-
(3) - FERGUS (J.W.) - Recent development in cathode materials for lithium ion batteries. - J. Power Sources, 195(4), p. 939-954 (2010).
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(4) - RÜDORFF (W.), SICK (H.H.) - Einlagerungsverbindungen von Alkali- und Erdalkalinemetallen in Molybdän- und Wolframdisulfid. - Angew. Chem. Int. Ed. Engl, 71(3), 127 p. (1959).
-
(5) - WHITTINGHAM (M.S.) - Chemistry of intercalation compounds : metal guests in chalcogenide hosts. - Prog. Solid State Chem., 12, 41, 21 (1978).
-
(6) - WHITTINGHAM (M.S.) - U.S. Patent 4,009,052. - Washington,...
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