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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Cellules et dispositifs
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5. Électrolytes et couches de passivation
L’électrolyte est un milieu permettant le déplacement des ions lithium entre les matériaux d’électrode négative et positive. Les performances des batteries Li-ion peuvent être influencées par la nature de l’électrolyte et ses propriétés physicochimiques et électrochimiques. La plupart des électrolytes liquides communs utilisés dans les batteries lithium-ion sont composés de sel de lithium, d’un ou de plusieurs solvants organiques aprotiques non aqueux et d’additifs. Différentes spécifications de sel et de solvant existent. Les sels de lithium devraient contenir des anions monovalents qui possèdent un degré élevé de dissociation et une taille modérée pour garantir une grande mobilité. L’électrolyte devrait être chimiquement stable et non corrosif pour les collecteurs de courant, présenter une faible réactivité envers les composants de la batterie, une faible toxicité et une sécurité élevée. La formulation de l’électrolyte dépend du type de matériau d’électrode positive et négative mais également de l’application spécifique de la batterie. Une permittivité élevée devrait constituer la principale propriété des solvants utilisés afin de dissocier les sels de lithium et de limiter la formation de paires d’ions (espèces neutres), ce qui réduit la conductivité ionique. Les solvants devraient également présenter une viscosité faible, une constante diélectrique et une stabilité thermique élevées, ainsi qu’une grande fenêtre électrochimique (ESW). L’ESW d’un électrolyte est liée à son énergie LUMO (plus basse orbitale moléculaire vacante) et HOMO (plus haute orbitale moléculaire occupée). De ce fait, si le potentiel électrochimique du matériau d’électrode négative ou positive est inférieur à l’énergie LUMO ou supérieur à l’énergie HOMO de l’électrolyte, respectivement, l’électrolyte est théoriquement stable dans une telle cellule d’un point de vue thermodynamique. Cependant, l’intercalation de cations lithium dans l’électrode négative au graphite se produit à des potentiels compris entre 0,25 et
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BIBLIOGRAPHIE
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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).
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(6) - WHITTINGHAM (M.S.) - U.S. Patent 4,009,052. - Washington,...
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