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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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1. Batteries Li-ion
Dans le principe, produire de l’énergie consiste à convertir une forme particulière d’énergie (photons, réaction chimique, température…) en un courant électrique. Parmi les différentes technologies développées à ce jour, on trouve par exemple les piles à combustible, les batteries ou accumulateurs, les cellules solaires ou photovoltaïques ou encore les cellules thermoélectriques. Les piles, accumulateurs ou batteries désignent des dispositifs dont la fonction est de transformer l’énergie libérée par une réaction électrochimique, en énergie électrique. Ce processus se produit aux deux électrodes du dispositif (électrode positive et électrode négative) et conduit à la décharge du générateur. Dans le cas où la réaction électrochimique est irréversible, le générateur est déchargé une seule fois et de façon définitive. On parle alors de système primaire ou de pile. Dans le cas où elle est réversible, une source extérieure d’énergie est utilisée pour ramener les électrodes à leur état initial et recharger le dispositif après sa décharge. On parle alors de système secondaire, ou d’accumulateur, ou encore de batterie.
Plusieurs familles d’accumulateurs sont aujourd’hui commercialisées, chacune dans le domaine d’application qui lui revient, en fonction de ses caractéristiques générales (tension, puissance, temps de recharge…). Les accumulateurs à base de lithium font partie des dispositifs électrochimiques les plus récents, expliquant l’intense recherche fondamentale et technologique qui leur est consacrée. On distingue trois technologies différentes pour ces accumulateurs : la technologie Li-métal, la technologie Li-ion et la technologie Li-polymère. Les deux premières catégories diffèrent par la nature de leur électrode négative, à savoir du lithium métallique dans la technologie Li-métal et un matériau d’insertion dans la technologie Li-ion. Bien que délivrant les plus grandes quantités d’énergie (≈ 100 à 200 Wh/kg), ces batteries posent d’importants problèmes de sécurité, pouvant aller du simple court-circuit à l’explosion ou la mise à feu de la batterie. Pour éviter les contacts entre électrodes à l’origine de ces problèmes de sécurité,...
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Batteries Li-ion
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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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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