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RÉSUMÉ
La production d’énergie consiste à convertir une forme particulière d’énergie en un courant électrique. La batterie Li-ion fait partie des dispositifs dont la fonction est de récupérer une énergie produite par une réaction électrochimique afin de la transformer. Pour améliorer les performances des batteries au lithium, qui doivent répondre à des demandes de plus en plus nombreuses (autonomie, durée de vie, sécurité), il convient de reconsidérer les aspects fondamentaux de ces dispositifs. L’objectif de cet article, après une présentation en détail des batteries Li-ion, est d’aborder les concepts de liaison chimique. Ces concepts peuvent permettre une amélioration du dispositif et amener vers des matériaux, différents de ceux utilisés, et considérés comme prometteurs à ce jour.
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Marie-Liesse DOUBLET : Chargée de recherche au CNRS, université de Montpellier 2
INTRODUCTION
Bien qu’occupant une place prépondérante sur le marché de l’électronique portable, la technologie lithium-ion (Li-ion) doit répondre à des demandes toujours plus grandes d’autonomie, de durée de vie, de sécurité ou encore de miniaturisation. Pour améliorer les performances des batteries au lithium, des ruptures technologiques sont nécessaires. Cela impose que les aspects fondamentaux liés au fonctionnement de ces dispositifs électroniques soient reconsidérés.
Dans cette optique, les méthodes de la chimie quantique peuvent apporter une aide précieuse, notamment pour comprendre les phénomènes électroniques microscopiques à l’origine de la production et du stockage de l’énergie. Grâce aux nouveaux concepts qu’elles proposent pour élucider ces mécanismes, elles ont déjà permis de développer des matériaux capables d’emmagasiner trois à quatre fois plus d’énergie que les matériaux actuellement commercialisés. Arrivées très tardivement dans le domaine de l’énergie, ces méthodes sont aujourd’hui incontournables dans le monde des batteries au lithium, comme en témoigne le nombre croissant d’études théoriques publiées dans la littérature depuis l’an 2000.
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Batteries Li-ion
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4. Conclusion
L’objectif de cet article était de transmettre quelques-uns des concepts de liaison chimique utilisés en chimie théorique pour comprendre les propriétés physico-chimiques des solides cristallins. Appliqués au domaine des matériaux d’électrodes pour les batteries au lithium, ces concepts peuvent orienter les chimistes et les électrochimistes du solide vers des matériaux différents de ceux qu’ils auraient tendance à considérer comme les plus prometteurs, sur la base d’une description ionique de la liaison chimique. Même si les performances électrochimiques des phosphures de métaux de transition sont jugées encore insuffisantes par l’industrie des batteries Li-ion, en particulier pour des raisons de mauvaise tenue en cyclage, de trop grande polarisation et de toxicité lors d’une exposition à l’air, ces matériaux constituent des électrodes modèles ayant ouvert la voie à d’autres mécanismes de stockage de l’énergie.
Dans ce domaine, tout ou presque reste à faire. Dans un monde gouverné par le « toujours plus efficace » et le « toujours plus petit », on ne peut plus prétendre étudier les propriétés liées à la production ou au stockage de l’énergie, sans aborder les modifications induites sur ces propriétés par la taille (nanostructuration) des matériaux. Concernant les batteries au lithium, les études expérimentales reportées sur le sujet prouvent déjà la complexité des mécanismes mis en jeu dans cette nouvelle physico-chimie aux interfaces, en particulier lorsque la création d’une surface est nécessaire pour initier la réaction chimique, ou quand les interactions électrodes/électrolytes deviennent prédominantes dans la réaction. S’il est clair que la cinétique des réactions électrochimiques sera améliorée par une nanostructuration des électrodes, les effets thermodynamiques induits par l’augmentation drastique des surfaces spécifiques, et leur conséquence directe sur les performances des batteries, sont, quant à eux, très loin d’être compris, et encore moins traitables numériquement.
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - JUZA (R.), LANGER (K.), VON BENDA (K.) - * - . – Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 7, p. 5 (1968).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Méthodes de la chimie quantique
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Structure électronique des solides
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Modélisation moléculaire
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Piles électriques. Piles au lithium
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Accumulateurs. Accumulateurs au lithium
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Électrochimie. Préliminaires à l'étude de l'électrolyse
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