Développements scientifiques et technologiques des piles et des accumulateurs au lithium
De Volta aux accumulateurs Li-ion

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.