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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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Électrolytes
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3. Électrodes positives
Les matériaux susceptibles, a priori, de constituer l’électrode positive d’un accumulateur à anode de lithium ne sont pas rares. Il faut néanmoins limiter l’emploi de bon nombre d’entre eux à des générateurs primaires, parce qu’ils sont le siège, en décharge, de processus électrochimiques trop complexes pour être aisément réversibles. Dans le cas de générateurs secondaires, un « bon » matériau de cathode doit rester structurellement inchangé et ne pas se lier à son environnement lors des processus de charge-décharge. L’usage est de distinguer les matériaux de cathode « basse tension » (low voltage cathodes), de ceux « haute tension » (high voltage cathodes). Les premiers, bien adaptés aux cellules à anode de lithium métallique, conduisent à des potentiels d’électrode, par rapport au lithium, de l’ordre de 2,2 à 3,2 V. Dans le cas des seconds, qui interviennent généralement dans des cellules à anode de carbone lithié, les potentiels d’électrode sont de l’ordre de 4 V. Cela étant, rien ne sépare, d’un point de vue théorique, ces deux groupes de matériaux [41]. La figure 4 fournit la liste de la plupart d’entre eux. On les a rassemblés dans le tableau 2 en ajoutant quelques indications chiffrées, valeur moyenne du potentiel exprimé par rapport au lithium et énergies spécifiques pratiques et théoriques. On notera que les valeurs pratiques dépendent des expérimentateurs et que des valeurs publiées diffèrent parfois quelque peu. En cas de doute sérieux, la valeur n’est pas indiquée.
Il importe de garder présent à l’esprit que seule l’électrode positive est prise en considération.
L’énergie massique théorique qui la caractérise est évaluée en associant cette électrode à une électrode de lithium (tout en ne prenant en compte que la masse de l’électrode positive) et en introduisant la valeur moyenne du potentiel par rapport au lithium. La valeur de l’énergie massique pratique résulte de deux limitations, la plage effective de variation de z et la proportion de matériau actif participant au processus réactionnel.
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