Bibliographie & annexes
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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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Limites et défis des batteries Li-ion
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6. Cellules et dispositifs
À l’échelle du laboratoire, différents dispositifs de taille réduite permettent de tester les performances électrochimiques de nouveaux matériaux ou électrolytes. Outre les cellules électrochimiques classiques, deux types de dispositifs sont utilisés. La variabilité des résultats obtenus dans de telles cellules est de l’ordre de 15 % et dépend entre autres de l’opérateur, des tailles relatives des électrodes et de leur alignement, de la nature du séparateur utilisé, ainsi que de la contamination des cellules utilisées.
6.1 Cellules de laboratoire
Une cellule Swagelok® utilisée à l’échelle du laboratoire (figure 10) est constituée d’un corps cylindrique creux d’environ 5 cm de long (6), aux extrémités duquel deux pistons métalliques (2) peuvent être vissés en utilisant des joints isolants (3). Ceci permet de maintenir leur isolation électrique vis-à-vis du corps de la cellule et entre eux. Ces pistons servent également comme collecteurs de courant. Le remplissage de cette cellule se fait verticalement après fixation d’un des pistons, en introduisant dans le corps de la cellule une électrode positive (4) qui peut être sous forme de poudre ou solide ; un séparateur (5) (par exemple en fibre de cellulose) qui est ensuite imbibé d’électrolyte ; et une électrode négative (7) qui peut être sous forme de poudre de graphite ou feuille de lithium. Une cale métallique (collecteur de courant en inox (8)) est ensuite déposée au contact de l’électrode négative, suivie d’un ressort et du deuxième piston. Ceci permet d’exercer une pression sur l’ensemble tout en assurant une conduction électrique. Après fixation du deuxième piston, des tests électrochimiques peuvent alors être réalisés.
L’intérêt d’utiliser cette géométrie de cellule réside dans sa grande simplicité et sa réutilisation possible. Ainsi, les propriétés des matériaux actifs d’électrode positive ou d’électrode négative peuvent être explorées rapidement en travaillant en configuration de demi-pile,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BROUSSELY (M.) - Presentation Batterie Lithium Conference. - Pont-à-Mousson.
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(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).
-
(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).
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(6) - WHITTINGHAM (M.S.) - U.S. Patent 4,009,052. - Washington,...
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