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)
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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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Conclusion
En anglais
3. De la théorie vers la pratique
3.1 État de l’art
À l’aide des concepts établis dans le paragraphe précédent, nous pouvons maintenant relier les propriétés électrochimiques d’un matériau d’électrode à la nature de sa liaison chimique locale. Appliquons ces concepts au cas des électrodes utilisées aujourd’hui dans les batteries commerciales, à savoir les oxydes de métaux de transition et le graphite.
HAUT DE PAGE3.1.1 Oxydes de métaux de transition
L’oxyde de cobalt CoO2 est utilisé comme électrode positive dans les batteries Li-ion actuellement commercialisées . Il est sous sa forme lithiée LiCoO2 lorsque la batterie est déchargée et sous sa forme délithiée CoO2 lorsque la batterie est chargée. Sa structure cristalline (lamellaire) est organisée en feuillets bidimensionnels entre lesquels sont insérés les ions Li+. Chaque feuillet est constitué d’octaèdres CoO6 liés par leurs arêtes. La structure électronique de cet oxyde est représentée schématiquement sur la figure . Elle est décrite par deux bandes distinctes, l’une totalement remplie et basse en énergie, l’autre partiellement remplie et haute en énergie. L’analyse des niveaux électroniques de ces deux bandes révèle qu’elles sont issues des orbitales moléculaires (OM) locales d’un octaèdre CoO6. La plus basse provient d’OM liantes (Co–O) et non liantes (Co O) majoritairement développées sur les orbitales atomiques 2p des atomes d’oxygène, tandis que la plus haute provient d’OM antiliantes (Co–O)* majoritairement développées sur les orbitales atomiques 3d du métal. Leur position en énergie est donc dictée par le fort caractère électronégatif de l’oxygène par rapport au métal de transition et par la liaison Co–O ionique qui en découle. Nous sommes ici typiquement dans le cas où les interactions intramotifs sont bien supérieures aux interactions intermotifs. Un décompte électronique formel des électrons permet alors de déterminer le degré d’oxydation du métal dans le système, en fonction de sa composition en lithium : (Li+)x...
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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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