Présentation
RÉSUMÉ
Depuis leur mise sur le marché en 1991, les accumulateurs lithium-ion ont envahi notre quotidien : ils alimentent en énergie nos smartphones, ordinateurs portables, tablettes, vélos électriques, etc ; tandis que véhicules électriques et hybrides se répandent dans les rues. Comment cette technologie s’est-elle, en quelques années, substituée aux filières établies depuis des décennies? Comment l’industrie asiatique a-t-elle réussi à occuper dans ce domaine une position dominante? Quelles seront les prochaines étapes du développement de ces systèmes de stockage électrique? En replaçant cette problématique dans un contexte historique, cet permet de comprendre l’enchaînement des découvertes et des évolutions dans ce domaine, et apporte un éclairage sur les développements en cours
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleAuteur(s)
-
Frédéric LE CRAS : Directeur de recherche - CEA, LITEN, Grenoble, France
-
Didier BLOCH : Ingénieur-chercheur retraité - Ancien chef de laboratoire Matériaux Batteries - CEA, LITEN, Grenoble, France
INTRODUCTION
Dans la longue histoire du développement des systèmes de stockage électrochimique de l’énergie (piles, accumulateurs), l’avènement des accumulateurs au lithium métal, puis lithium-ion (Li-ion) représente un tournant majeur. Cette filière technologique associe une électrode positive à fort pouvoir oxydant avec une électrode négative à fort pouvoir réducteur, toutes deux imprégnées d’un électrolyte non aqueux, et physiquement séparées l’une de l’autre par un séparateur conducteur ionique et isolant électronique. Chaque cellule élémentaire (accumulateur unitaire) génère une tension à ses bornes (force électromotrice, ou f.e.m) voisine de 4 volts. Cette tension élevée constitue un premier atout pour permettre de stocker une quantité importante d’énergie électrique rapportée à la masse ou au volume de l’accumulateur (exprimée en Wh · kg–1 ou en Wh · L–1). L’optimisation du choix des matériaux et les progrès des procédés de fabrication réalisés depuis la commercialisation des premiers accumulateurs Li-ion en 1991 (80 Wh · kg–1 et 200 Wh · L–1) permettent d’atteindre aujourd’hui des densités d’énergies voisines de 250 Wh · kg–1 et 600 Wh · L–1, ainsi qu’une durée de vie en cyclage de l’ordre de plusieurs milliers de cycles charge/décharge. Ces performances sont de très loin les plus élevées obtenues parmi les systèmes rechargeables fonctionnant à température ambiante.
Les premiers accumulateurs Li-ion conçus entre 1985 et 1990 et commercialisés au début des années 1990 par les industriels japonais Sony et Asahi Kasei sont destinés à alimenter des caméscopes. Au cours d’une première phase de développement qui se prolonge sur une vingtaine d’années, l’amélioration très sensible de leurs performances et la baisse continue de leur prix permettent de répondre aux exigences toujours plus élevées des marchés des équipements électroniques portables grand public (consumer electronics), en développement très rapide au cours de cette même période (ordinateurs portables, téléphonie mobile, tablettes, outillage, équipements ménagers…). Plusieurs industriels asiatiques (Sanyo, Panasonic…) suivent l’exemple de Sony, en intégrant dans leurs propres usines la fabrication d’accumulateurs Li-ion. Ces derniers constituent en effet un composant essentiel du produit final qu’ils fabriquent, puisqu’ils en déterminent largement le poids, l’encombrement et le coût. Les technologies d’accumulateurs à électrolyte aqueux nickel-cadmium (Ni-Cd), puis nickel-hydrure métallique (Ni-MH), initialement utilisées, cèdent alors rapidement le pas, sur ces marchés, aux accumulateurs Li-ion. Ces initiatives stratégiques expliquent en grande partie la position de quasi-monopole que prennent les industriels japonais, coréens (LG, Samsung…), plus récemment chinois (BYD, CATL…) sur la production d’accumulateurs au lithium. Durant les années 2005-2015, la maturité technologique à laquelle ces industriels amènent la filière se traduit non seulement par une maîtrise de la fabrication à grande échelle, mais également par un niveau de performances, de sûreté d’utilisation et de coût qui imposent progressivement les accumulateurs au lithium comme une référence absolue non seulement sur leurs marchés traditionnels, mais aussi sur de nouveaux marchés jusque-là réputés inaccessibles.
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2016 par Frédéric LE CRAS, Didier BLOCH
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Ressources énergétiques et stockage
(192 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
1. 1800-1991 : de la pile Volta aux filières d’accumulateurs commerciales
1.1 Le temps des premières découvertes
À l’aube du XIXe siècle, Alessandro Volta, physicien et chimiste italien, étudie depuis de nombreuses années les phénomènes relatifs à la génération d’électricité aux bornes d’un empilement (d’où le terme « pile ») constitué de deux électrodes métalliques (zinc et cuivre) séparées par un tissu imprégné d’une solution saline. Il pose les premières bases scientifiques de l’électrochimie. Quelques décennies plus tard, Michael Faraday énonce une première « théorie électrochimique » résistante à l’épreuve des faits expérimentaux, comprenant, entre autres, la loi qui porte son nom, suivant laquelle la quantité de matière transformée au cours d’une réaction est proportionnelle à la quantité d’électricité qui traverse la cellule électrochimique. Il propose de nouveaux termes : électrode, anode, cathode, électrolyte, qui demeurent en vigueur deux siècles plus tard, pour définir les constituants d’une telle cellule. Sur ces bases, de nombreuses initiatives vont germer, qui contribueront au développement de nouveaux systèmes électrochimiques.
HAUT DE PAGE1.2 XIXe siècle : les premiers développements industriels
Les premiers développements « industriels » de générateurs électrochimiques débutent vers 1836 avec John Frederic Daniell. Pour répondre aux besoins naissants des télécommunications sans fil, celui-ci développe une pile (non rechargeable) (–) Zn/ZnSO4//CuSO4/Cu (+), associant une électrode négative de zinc et une électrode positive de cuivre, respectivement plongées dans des sels de leur propre métal et reliées par un pont salin . Cette pile génère une force électromotrice (fem) de 1,1 volt. Il faut ensuite attendre 1859 pour que les accumulateurs au plomb (Pb) soient découverts par Gaston Planté. Ceux-ci, constitués...
Cet article fait partie de l’offre
Ressources énergétiques et stockage
(192 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
1800-1991 : de la pile Volta aux filières d’accumulateurs commerciales
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - https://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_Daniell
-
(2) - KUMMER (J.T.), NEILL (W.) - Secondary battery employing molten alkali metal reactant. - Brevet États-Unis, 3,404,035 (1965).
-
(3) - LU (X.), LEMMON (J.P.), SPREKLE (V.), YANG (Z.) - * - JOM, 62, p. 31-36 (2010).
-
(4) - * - https://www.ngk-insulators.com/en/product/
-
(5) - * - https://en.wikipedia.org/wiki/Think_Global
-
(6) - SUZUKI (M.), WADA (M.) - Energy systems in electronics. - Gordon Breach Science Publishers, p. 79-105 (2012).
-
(7) - JASINSKI...
Cet article fait partie de l’offre
Ressources énergétiques et stockage
(192 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive