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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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Application aux accumulateurs lithium
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1. Fonctionnement général d’un accumulateur
Le fonctionnement général des accumulateurs secondaires repose sur la réaction contrôlée et réversible entre les matériaux constituant deux électrodes, séparées par un électrolyte au sein de l’accumulateur. Cette réaction est une réaction d’oxydoréduction, mettant en jeu des échanges de charges entre ces deux électrodes : les électrons chargés négativement vont circuler à travers un circuit électrique externe d’une électrode à l’autre, tandis que des ions chargés positivement vont circuler au sein de l’électrolyte à l’intérieur de l’accumulateur. Lors de la décharge de l’accumulateur, le sens de circulation des charges se produit de l’électrode négative vers l’électrode positive, et vice-versa lors de sa recharge.
bien que, dans le cas des accumulateurs, les électrodes jouent alternativement le rôle de cathode et d’anode, l’usage s’est établi de désigner l’électrode positive par « cathode », et l’électrode négative par « anode ». L’appellation d’usage se réfère donc au fonctionnement en décharge.
Cette réaction d’oxydoréduction nécessite donc l’association, au sein de l’accumulateur, d’un oxydant avec un réducteur respectivement à l’électrode positive et négative. L’électrolyte doit permettre la mobilité des ions et être inerte chimiquement et électrochimiquement vis-à-vis des matériaux d’électrode.
En se basant sur les performances théoriques obtenues à partir de considérations thermodynamiques, l’énergie stockée est directement dépendante de deux paramètres : la force électromotrice (fem) pouvant être assimilée à la différence de potentiel entre les deux électrodes, et la capacité d’échange de charges des matériaux. L’énergie massique
pouvant être stockée au sein d’une électrode s’écrit selon la formule (1) :
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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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