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RÉSUMÉ
L'évolution des révolutions industrielles, des premières machines à vapeur jusqu'à l'ère de l'intelligence artificielle, a transformé le monde. Au cœur de ces innovations, les batteries lithium-ion sont devenues indispensables pour la mobilité électrique et nos objets connectés. Cette offre des Techniques de l'Ingénieur explore en profondeur l'évolution des technologies de stockage d'énergie, avec un focus particulier sur les batteries lithium-ion. Découvrez comment ces innovations révolutionnent les secteurs de l'énergie, de l'électronique et des transports, tout en façonnant un avenir plus durable grâce à des solutions de gestion et de recyclage performantes.
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Alexandre CHAGNES : Professeur des universités - Université de Lorraine, GeoRessources, UMR CNRS 7359, Vandœuvre-lès-Nancy, France
INTRODUCTION
Les domaines technologique, économique et social ont connu et été transformés par quatre révolutions industrielles :
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la première révolution industrielle s’est déroulée de la fin du XVIIIe siècle à la fin du XIXe siècle, avec l’invention de la machine à vapeur, la mécanisation de la production textile, ainsi que le développement des chemins de fer et des canaux ;
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la deuxième révolution industrielle a eu lieu de la fin du XIXe au début du XXe siècle, débutant avec la découverte de l’électricité, du moteur à explosion, de la production en série, ainsi que l’invention du télégraphe et du téléphone ;
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la troisième révolution industrielle, qui s’est étendue du milieu à la fin du XXe siècle, est marquée par la révolution numérique, avec le développement de l’informatique, de l’électronique, de l’automatisation, des télécommunications et d’Internet ;
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la quatrième révolution industrielle, que nous vivons depuis le début du XXIe siècle, est caractérisée par l’intégration croissante dans notre quotidien de l’intelligence artificielle, de la robotique avancée, de l’Internet des objets (IoT) et des technologies de l’information et de la communication (TIC).
Les troisième et quatrième révolutions, qui permettent d’initier les transitions énergétiques et numériques actuelles, n’auraient jamais pu voir le jour sans le développement des batteries lithium-ion. En effet, ces batteries, devenues de plus en plus petites et dont la densité énergétique et la durée de vie ne cessent de progresser depuis leur mise sur le marché en 1991, sont une pierre angulaire de la mobilité électronique et de la connectivité (téléphones portables, ordinateurs portables, petits objets connectés), ainsi que de la mobilité électrique, puisqu’elles constituent aujourd’hui la technologie de choix pour les véhicules électriques.
Cette série d’articles des Techniques de l’Ingénieur fait le point sur les batteries avec un focus plus particulier sur les batteries lithium-ion et les récents développements de moyens de stockage électrochimique de l’énergie inspirés par les avancées des batteries lithium-ion. Cette série d’articles regroupe ainsi les contributions d’experts en trois rubriques.
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Technologies de batteries
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1. Introduction aux systèmes de stockage et principes fondamentaux de l’électrochimie
Le domaine du stockage d’énergie est au cœur des enjeux énergétiques contemporains, en particulier dans le cadre de la transition vers des sources d’énergie renouvelables. Le stockage de l’énergie est essentiel pour répondre aux besoins croissants en électricité, tout en assurant la stabilité des réseaux électriques. En effet, la capacité à stocker de l’énergie permet de lisser les fluctuations de la production, surtout lorsque celle-ci provient de sources intermittentes comme l’éolien ou le solaire.
Les systèmes de stockage d’énergie électrique, tels que les batteries, jouent un rôle crucial dans cette dynamique. Ils permettent de conserver l’énergie excédentaire produite lors des périodes de faible demande et de la restituer lorsque la demande augmente ou que la production diminue. Cette fonctionnalité est particulièrement pertinente dans le cadre des énergies renouvelables, où la production n’est pas toujours synchronisée avec la demande. Les technologies de stockage d’énergie, qu’il s’agisse de batteries, de supercondensateurs, ou de volants d’inertie, sont au cœur des recherches pour améliorer l’efficacité, la capacité et la durée de vie de ces systèmes, tout en réduisant les coûts.
Pour bien comprendre le fonctionnement des batteries et d’autres systèmes de stockage électrochimique, il est nécessaire de maîtriser les principes fondamentaux de l’électrochimie. L’électrochimie est une science qui étudie les réactions chimiques impliquant des transferts de charges électriques, et elle est à la base du fonctionnement de nombreux dispositifs de stockage d’énergie. Les réactions d’oxydoréduction, qui permettent la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique, sont le moteur des batteries. Par exemple, dans une batterie lithium-ion, les ions lithium se déplacent entre l’électrode positive et l’électrode négative, créant un flux d’électrons qui génère de l’électricité.
La compréhension des potentiels électrochimiques, qui déterminent la capacité d’un matériau à gagner ou perdre des électrons, est également essentielle. Ces potentiels, spécifiques à chaque couple redox, influencent directement la tension de la batterie et son efficacité globale. Les techniques de caractérisation électrochimique permettent de mesurer ces paramètres et d’évaluer...
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