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Auteur(s)
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Christian SARRAZIN : Spécialiste des sources d’énergie électrochimique - Ancien Chef de la division chimie électrochimie à la Délégation générale pour l’armement / Direction des recherches études et techniques (DGA/DRET)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le lithium, qui a le potentiel le plus négatif et la plus forte capacité massique des matériaux d’anode solides, est apparu comme le métal permettant d’atteindre les plus hautes énergies massiques dans les piles, lorsqu’il est associé à une cathode de potentiel élevé.
Le nombre des différentes piles au lithium est important, car les recherches de cathodes adaptées à l’obtention de bonnes performances a conduit à examiner beaucoup de matériaux. Cette variété des matériaux de cathodes s’explique par la possibilité d’étudier des combinaisons de plusieurs éléments : oxydes ou sulfures de métaux de transition, halogénures, oxyhalogénures, carbones, certains composés organiques, etc. Ces piles, qui ont une cathode soit solide (Li/CuO, Li/MnO 2, Li/CFx, etc.), soit liquide (Li/SOCl2, Li/SO 2, etc.), et peuvent comporter un électrolyte solide dans certains cas, n’ont pas toutes abouti à des fabrications industrielles importantes.
L’utilisation de ces piles est sans cesse croissant, notamment dans les applications portables ou portatives, pour lesquelles la compacité de la source d’énergie est un point crucial.
Seules les piles qui ont fait l’objet de fabrications industrielles significatives seront examinées en détail dans ce texte.
L’étude complète du sujet comprend les articles :
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D 3 320 – Piles électriques. Présentation générale ;
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D 3 321 – Piles électriques. Piles au zinc ;
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D 3 322 – Piles électriques. Piles au lithium (le présent article) ;
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D 3 323 – Piles électriques. Piles activables ;
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Doc. D 3 325 – Piles électriques. Pour en savoir plus.
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Piles lithium-dioxyde de soufre
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1. Présentation générale
1.1 Généralités
Dans les travaux menés pour améliorer les sources d’énergie électrochimiques, les chercheurs et les ingénieurs ont étudié la plupart des éléments et compositions des éléments disponibles [11]. La recherche d’énergies massiques et/ou volumiques importantes est directement liée à l’étude et la sélection des matériaux actifs d’électrode, par le choix de ceux qui permettent de fortes capacités mas-siques aussi bien qu’un potentiel le plus bas possible pour les matériaux d’anode et le plus haut possible pour les matériaux de cathode.
Sur le plan idéal, il faudrait prendre le lithium qui a le potentiel le plus négatif et la plus forte capacité massique des matériaux d’anode solides d’une part et le fluor qui a le potentiel le plus élevé et la capacité massique des matériaux de cathode la plus importante (+ 2,87 V/ENH et 1 410,65 Ah/kg). S’il était possible de faire fonctionner une telle pile, l’élément aurait une tension de 5,91 V environ, alors que l’énergie massique théorique serait alors de 6 106 Wh/kg. L’énergie massique pratique pourrait atteindre 1 500 Wh/kg à 2 000 Wh/kg. Malheureusement, l’utilisation (ainsi que la manipulation) du fluor est difficile et dangereuse, et relève de technologies sophistiquées, alors qu’au plan électrochimique les fluorures sont généralement bloquants du fait de la formation de couches très isolantes, ionique et électronique.
La recherche de capacités massiques importantes pour les matériaux d’anode a donc tout naturellement conduit les scientifiques à sélectionner le lithium, matériau solide à la température ambiante (température de fusion : 180,5 ˚C). Ce métal alcalin est le plus électropositif et a, de ce fait, un potentiel d’électrode parmi les plus négatifs.
À température ambiante, les principales caractéristiques du lithium sont :
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potentiel d’électrode (calculé sur la base d’une enthalpie libre de − 293 750 J/mol à 25 ˚C [5]) ………………………………. − 3,045 V/ENH ;
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capacité massique ………………………………………. 3 861,67 Ah/kg ;
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capacité...
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