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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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Batteries
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Application et gestion durable des batteries
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2. Technologies de batteries
Le développement des technologies de batteries a connu une évolution spectaculaire, en particulier avec l’avènement des accumulateurs lithium-ion qui dominent actuellement le marché. Les premières batteries, comme celles inventées par Alessandro Volta, ont jeté les bases de la technologie moderne. Depuis lors, les innovations dans le domaine des matériaux, des électrolytes et de la conception ont conduit à des batteries plus efficaces, plus légères et plus sûres.
Les batteries lithium-ion, en particulier, ont transformé le paysage énergétique grâce à leur haute densité énergétique, leur faible auto-décharge et leur longue durée de vie. Ces caractéristiques les ont rendues idéales pour une large gamme d’applications, des téléphones portables aux véhicules électriques. Cependant, malgré leurs avantages, elles présentent également des défis, notamment en termes de sécurité et de coûts de production. Ces défis ont conduit à l’exploration de nouvelles technologies, comme les accumulateurs « redox-flow » qui permettent une séparation plus facile de la puissance et de l’énergie, ou les microbatteries, adaptées aux applications en microélectronique.
Parallèlement, d’autres technologies émergent, comme les batteries sodium-ion qui offrent une alternative potentiellement moins coûteuse et plus durable que les batteries lithium-ion, grâce à l’abondance du sodium par rapport au lithium. Les électrolytes polymères, utilisés dans certaines batteries au lithium métal, offrent également des avantages en termes de sécurité et de performance, notamment en évitant les problèmes de fuite d’électrolyte qui peuvent causer des problèmes de sécurité.
Chaque type de batterie présente des avantages et des inconvénients spécifiques, qui doivent être soigneusement évalués en fonction de l’application envisagée. Par exemple, les batteries nickel-métal-hydrure (Ni-MH) sont souvent utilisées dans des applications nécessitant une grande robustesse et une tolérance aux cycles de charge/décharge fréquents, bien qu’elles aient une densité énergétique inférieure à celle des batteries lithium-ion.
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