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RÉSUMÉ
Cet article est consacré au système lithium-ion : intérêts, caractéristiques, points faibles et perspectives. Cette technologie permet des densités d’énergie élevées, d’où sa présence sur la marché des batteries portables, mais également des densités de puissance élevées, ce qui devrait lui assurer un rôle prépondérant dans le véhicule hybride et à terme un avenir florissant au sein de tous les générateurs électrochimiques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jack ROBERT : Professeur émérite à l’université Paris Sud XI
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Jean ALZIEU : Ingénieur-chercheur à Électricité de France
INTRODUCTION
Lensemble des considérations développées au paragraphe 1 ci-dessous désigne a priori le lithium comme l’un des tous premiers matériaux d’électrode. Cet élément présente un caractère réducteur particulièrement prononcé. Son potentiel, l’un des plus bas de ceux de tous les éléments (cf. tableau 1 du chapitre [D 3 351] « Considérations théoriques ») et plus généralement de ceux des matériaux d’anode connus, est égal à – 3,045 V/ENH. En associant le lithium à un oxydant, on peut disposer d’une énergie et d’une fem, supérieures à celles crées par la plupart des couples électrochimiques. En outre, la masse volumique du lithium (0,534 g/cm3) est faible et, par voie de conséquence, sa capacité spécifique (3 860 Ah/kg) plus élevée que celle des matériaux d’anode en usage (par exemple : Cd, 477 Ah/kg). Dans les dossiers consacrés aux piles électriques du présent traité, l’auteur cite le couple lithium-fluor. Si l’on pouvait réaliser un générateur à l’aide de ces deux éléments, ce qui n’est pas le cas, celui-ci aurait une tension de l’ordre de 5,91 V et une énergie massique théorique de 6 106 Wh/kg. L’énergie massique pratique pourrait atteindre 1 500 à 2 000 Wh/kg. À titre de comparaison, pour un rendement de Carnot de 0,25, l’énergie massique pratique de l’essence est de 3 000 Wh/kg.
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Accumulateurs lithium-polymère
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6. Accumulateurs lithium-ion
On sait que la firme japonaise Sony a commercialisé en 1991 une batterie secondaire lithium-ion destinée à alimenter des caméscopes. Les composés d’insertion sont du coke à la négative et de l’oxyde de cobalt lithié LiCoO2 à la positive. Les électrodes sont minces et enroulées en spirale. La matière active est déposée sur les deux faces d’une feuille métallique, de cuivre à la négative et d’aluminium à la positive. L’électrolyte est immobilisé dans un polymère microporeux. Le conteneur métallique est cylindrique. Il est muni d’un système mécanique interne qui interrompt le courant quand la pression gazeuse en son sein atteint une valeur seuil. En outre, le fabricant fournit une liste de recommandations précisant les limitations en température, courant et tension de décharge. Il est enfin conseillé d’installer sur le circuit électrique dans lequel la batterie est insérée, un limiteur de courant intervenant en charge comme en décharge. Les caractéristiques en charge et en décharge de ce produit Sony sont précisées sur la figure 12. Les paramètres significatifs essentiels sont les suivants :
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tension moyenne : 3,6 V ;
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énergies spécifiques : 125 Wh/kg ; 300 Wh/dm3 ;
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durée de vie > 500 cycles.
Sony a, depuis, diversifié sa production, tandis que les entreprises concurrentes ont investi ce nouveau marché. On fabrique ou on expérimente des accumulateurs lithium-ion sous les formes « bouton », cylindrique ou prismatique (figure 13). Le développement de ces systèmes est évidemment favorisé par leurs qualités spécifiques, tension moyenne et densités d’énergie élevées, autodécharge faible, courbes de décharge régulières, de pente faible.
Le marché des accumulateurs lithium-ion, inexistant il y a un peu plus d’une décennie, est en extension rapide. Depuis l’alimentation des caméscopes, les débouchés se sont singulièrement élargis. Les véhicules électriques sont aujourd’hui l’objet de programmes internationaux, nationaux ou privés conséquents, tandis que les véhicules hybrides apparaissent, pour un temps, comme une solution alternative réaliste, qui exige de l’accumulateur des performances...
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