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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Électrodes négatives
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3. Électrodes positives
L’identification du matériau d’électrode positive idéal pour une batterie lithium-ion fait l’objet d’une intens e recherche tant dans le milieu académique qu’industriel. Un matériau d’électrode positive idéal doit respecter un certain nombre de critères : en premier lieu, il doit contenir un élément qui participe à des réactions d’oxydoréduction lors d’une (dés)insertion de lithium. Ces réactions doivent se faire à haut potentiel (supérieur à 3 V par rapport à
). Sa structure doit présenter des espaces libres, au sein desquels les ions lithium peuvent être mobiles et s’insérer. Cette capacité d’insertion d’ions lithium doit être élevée. L’évolution structurale du matériau au cours de cette insertion doit être faible, afin de ne pas modifier les interactions avec son environnement direct et apporter une réversibilité au cours du cyclage. En second lieu, les réactions au sein d’une électrode mettant en jeu des ions lithium venant de l’électrolyte et des électrons venant du collecteur de courant, le matériau d’électrode positive doit permettre une mobilité de ces charges et donc être à la fois un bon conducteur ionique et électronique. En troisième lieu, le matériau doit présenter une stabilité chimique et électrochimique lors des cyclages, afin d’assurer une sécurité d’utilisation. Enfin, il est important de limiter son coût et l’utilisation d’éléments stratégiques afin d’assurer un développement soutenable de la technologie.
Les recherches réalisées pour obtenir le matériau idéal ont mené au développement au niveau académique d’un très grand nombre de matériaux. Les travaux de M.S. Whittingham, J.B. Goodenough, et A. Yoshino, pionniers dans ce domaine, ont été reconnus par l’obtention en 2019 du prix Nobel de chimie.
Trois grandes familles de matériaux se distinguent, avec pour chacune d’elles au moins un composé phare ayant été commer-cialisé : LiCoO2, LiNi1-x-yMnxCoyO2 ou encore...
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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).
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(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).
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(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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