Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Depuis leur mise sur le marché en 1991, les accumulateurs lithium-ion ont envahi notre quotidien : ils alimentent en énergie nos smart phones, 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
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Since their introduction on the market in 1991, lithium batteries have become ubiquitous: manufactured in tens of millions monthly, they fuel not only our smartphones, tablets and electric bicycles, but also electric and hybrid vehicles. How did this technology come to replace the existing lead acid, nickel cadmium, and nickel hydride batteries so rapidly? How did Asian industry manage to win such a dominant position on the market? What are the upcoming innovations in these energy storage systems? This article helps the reader gain a better understanding of how the present situation occurred by setting these issues in their historical context, and suggests possible challenges likely to arise in the near future.
Auteur(s)
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Frédéric LE CRAS : Expert senior au CEA – LETI, Grenoble, France
-
Didier BLOCH : Responsable de laboratoire au CEA – LITEN, Grenoble, France
INTRODUCTION
Dans la longue histoire du développement des systèmes de stockage électrochimique de l’énergie (piles, accumulateur), l’avènement des accumulateurs au lithium métal, puis lithium-ion représente un tournant. Cette technologie d’accumulateur utilisant une électrode négative à fort pouvoir réducteur et par voie de conséquence un électrolyte non aqueux permet, une fois associée avec une électrode positive adéquate, de générer une force électromotrice d’environ 4 V. Cette tension élevée est un premier atout pour permettre de stocker une énergie électrique importante rapportée à la masse et au volume de l’accumulateur. L’optimisation du choix des matériaux et les progrès des techniques de fabrication réalisés depuis la mise sur le marché des premiers accumulateurs Li-ion en 1991 permettent d’atteindre aujourd’hui des densités d’énergies voisines de 250 Wh · kg–1 et 600 Wh · L–1. Ces valeurs sont de loin les plus élevées obtenues parmi les systèmes rechargeables fonctionnant à température ambiante.
Les premiers accumulateurs Li-ion ont été conçus et commercialisés initialement par Sony (et Asahi Kasei) pour l’alimentation de caméscopes. Depuis lors, cette technologie a accompagné de manière synergique l’explosion du marché des appareils électroniques portables et a rapidement supplanté dans ces applications la technologie d’accumulateur aqueux la plus avancée, le nickel-hydrure métallique (Ni-MH). Par ailleurs, le rôle clef joué par cette technologie dans la conception et la réalisation des équipements électroniques portables, allié à la position de quasi-monopole prise par l’industrie asiatique sur ces marchés depuis la fin des années 1980, a rapidement conduit à une intégration de la fabrication des accumulateurs Li-ion au sein des firmes concernées. Ce positionnement stratégique explique en grande partie la prééminence actuelle des fabricants d’accumulateurs japonais, coréens, plus récemment chinois sur cette production.
Parallèlement, dans un contexte global imposant la réduction de l’utilisation des énergies fossiles et le recours à des sources d’énergies renouvelables, la question du stockage de l’énergie électrique devient de plus en plus prégnante. Considérés il y a peu comme trop coûteux et insuffisamment sûrs, les accumulateurs Li-ion tirent aujourd’hui bénéfice de la maturité technologique de la filière et pénètrent chaque jour davantage le marché du véhicule électrique et hybride et du stockage stationnaire à grande échelle. Ces nouveaux domaines d’application, impliquant de plus forts volumes de production comparés à celui de l’électronique portable, imposeront sans nul doute de nouveaux développements à la technologie Li-ion, et motivent dès à présent la recherche de systèmes « post Li-ion » encore plus performants.
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KEYWORDS
batteries | electrochimical storage | electric and hybrid vehicles
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Évolution des performances et des applications
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4. Développement des systèmes lithium-ion
Dans la foulée de Sony, plusieurs sociétés (Sanyo, Mitsubishi batteries, Hitachi Maxell, Moli Energy, AT&T batteries...) essentiellement japonaises se lancent rapidement dans la production de masse d’accumulateurs Li-ion. Pendant une dizaine d’années (1991-2000), les applications visées seront essentiellement les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les caméscopes : des appareillages nomades à forte valeur ajoutée, dont la production est concentrée en Asie et principalement au Japon. Le développement de la filière Li-ion s’accompagne d’une montée en maturité technologique et d’une forte croissance des capacités de production, qui laisse rapidement entrevoir la possibilité de pénétration d’autres marchés, nouveaux ou existants (spatial, véhicules électriques, stationnaire et couplage réseau...). En 2015, la production d’accumulateurs Li-ion représente 15 à 20 fois celle des accumulateurs NiCd ou NiMH (figure 5).
4.1 Spécificité des accumulateurs Li-ion
Les matériaux actifs composant le système Li-ion (électrodes, électrolyte), de par leurs caractéristiques intrinsèques, conditionnent fortement la conception, la fabrication et le fonctionnement de ces accumulateurs. À tous ces niveaux, la technologie Li-ion se distingue fortement de celles des accumulateurs à électrolyte aqueux. Parmi les caractères spécifiques de ce système, on peut notamment citer :
-
la faible conductivité ionique des électrolytes organiques utilisés (~ 10–2 S · cm–1 à 20 °C) qui impose la réalisation d’électrodes et de séparateurs de faible épaisseur (25 à 100 μm) ;
-
l’instabilité électrochimique de l’électrolyte au potentiel de fonctionnement de l’électrode négative (figure 3) qui nécessite la formation contrôlée d’une couche de passivation sur l’électrode de carbone (SEI) lors des premiers cycles de charge/décharge ;
-
l’extrême sensibilité du système aux traces d’eau notamment, qui impose un séchage poussé des constituants...
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Développement des systèmes lithium-ion
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JASINSKI (R.) - High energy batteries. - Plenum Press (1967).
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(2) - HARRIS (W.) - * - Thèse de doctorat, Université de Californie (1958).
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(5) - GABANO (J.P.) - Lithium batteries. - Academic Press (1983).
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(6) - DECHENAUX (G.), GERBIER (G.), LAURENT (J.) - * - Entropie, 13 (1967).
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(7) - GABANO (J.P.), GERBIER (G.) - Electrochemical...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Systèmes de stockage sodium-soufre installés au Japon par la société NGK Insulators https://www.ngk.co.jp/nas/case_studies/rokkasho/
Accumulateurs haute température type ZEBRA commercialisés par la société Fiamm Sonick http://www.fiammsonick.com/
Eurobat. A review of batteries for automotive applications http://www.eurobat.org/sites/default/files/a_review_of_batteries_for_automotive_applications_-_full_report_0.pdf (page consultée le 7 mars 2016)
International Renewable Energy Agency (IRENA). Battery storage for renewables : market status and technology outlook http://www.irena.org/documentdownloads/publications/irena_battery_storage_report_2015.pdf (page consultée le 7 mars 2016)
Avicenne Energy – Études de marché dans le domaine des batteries et de l’énergie http://www.avicenne.com/articles_energy.php (page consultée le 7 mars 2016)
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