Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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The production of energy consists in converting a particular form of energy into an electric current. The Li-ion battery belongs to devises the function of which is to recover the energy produced by an electrochemical reaction in order to transform it. So as to improve the performances of lithium batteries which have to meet an increasing number of requirements (autonomy, lifetime, safety) the fundamental aspects of these devises must be reconsidered. The objective of this article, after providing a detailed presentation of the Li-ion batteries, is to deal with chemical bond concepts. These concepts can allow for improving the device and lead to the development of materials which are different from those currently in use and considered as promising to date.
Auteur(s)
-
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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De la théorie vers la pratique
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2. Outils théoriques
Pour concevoir un matériau d'électrode sur la base de considérations purement théoriques, une première étape consiste à transcrire le cahier des charges industriel en langage théorique. Pour cela, nous avons besoin de redéfinir, de manière légèrement plus formelle, l'ensemble des grandeurs thermodynamiques qui caractérisent un matériau d'électrode, afin de relier ces grandeurs à ce que nous sommes capables de calculer et, en particulier, à la nature de la liaison chimique.
2.1 Liens avec la thermodynamique
Commençons par écrire les équations électrochimiques mises en jeu dans les processus de charge et de décharge. Nous avons vu que le matériau d'insertion testé en laboratoire est placé à l'électrode positive du dispositif de demi-batterie. Il sera caractérisé par [LixMI] où x représente sa composition en lithium. En décharge, l'oxydation qui se produit à l'électrode négative libère des ions Li+ et des électrons , qui sont alors transférés à l'électrode positive, où une réduction se produit :
( 1 )
( 2 )
La réaction électrochimique globale , somme des deux demi-équations et s'écrit alors :
( 3 )
L'équation (3) permet de relier la capacité massique (ou volumique) du matériau au nombre total d'ions Li+ échangés au cours de l'insertion électrochimique (Δx = x2 – x1) dans une masse m de matériau :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MIZUSHIMA (K.), JONES (P.C.), WISEMAN (P.J.), GOODENOUGH (J.B.) - * - . – Mater. Res. Bull. 15, p. 783 (1980).
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(4) - IUNG (C.), CANADELL (E.) - Description orbitalaire de la structure électronique des solides : 1- De la molécule aux composés 1D - Édiscience International (1997).
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(5) - JEAN (Y.), VOLATRON (F.) - Structure électronique des molécules - Éditions Dunod (2003).
-
(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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