Accumulateur lithium

Un accumulateur lithium est une technologie de stockage d'énergie de la famille des accumulateurs électrochimiques, dont la réaction est basée sur le lithium.



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Caractéristiques
Énergie/Poids 100-200[1] Wh/Kg
Énergie/Volume 200-400[1] Wh/L
Rendement charge-décharge 99, 9 %
Énergie/Prix public
Auto-décharge 5 % à 10 % /mois
Durée de vie 24 à 36 mois
Nombre de cycles de charge 1 200 cycles
Tension nominale par élément 3, 6 ou 3, 7 V
Accumulateur lithium de Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne

Un accumulateur lithium est une technologie de stockage d'énergie de la famille des accumulateurs électrochimiques, dont la réaction est basée sur le lithium.

On peut distinguer la technologie Lithium métal où l'électrode négative se compose de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité), et la technologie lithium ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion autant à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive (dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer). Les accumulateurs lithium polymère sont une alternative aux accumulateurs lithium-ion, ils délivrent légèrement moins d'énergie, mais sont bien plus sûrs.

Contrairement aux autres technologies, les accumulateurs Li-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur Li-ion. Ceci explique la profusion de variantes de cette technologie, face à la constance observée avec les autres couples. Il est par conséquent délicat de tirer des règles générales sur cette technologie. Les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance.

En ce début de XXIe siècle, cette technologie offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d'énergie (énergie/volume) [2].

Lithium-ion

Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium-ion occupe actuellement une place prédominante sur le marché de l'électronique portable. Ses principaux avantages sont une densité d'énergie élevée (densité massique deux à cinq fois plus que le Ni-MH par exemple) mais aussi l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'auto-décharge est assez faible comparé à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux dispositifs de petite taille[3].

La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus fréquemment un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB) [1]. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes particulièrement réactives.

La tension d'un élément Li-Ion est de 3, 6 V. Cette équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH est particulièrement intéressante car elle permet occasionnellementde faire une substitution pure et simple, du Li-Ion par du Ni-MH seulement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique. Qui plus est le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, surtout lors de la charge.

Ce problème de sécurité impose d'intégrer un dispositif électronique de protection, embarqué le plus fréquemment dans chaque élément au lithium (Il empêche une charge ou décharge trop profonde : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément).

Les courants de charge et de décharge acceptables sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Enfin, un autre défaut : les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation. Quel que soit le nombre de charges/décharges, leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ deux ou trois ans après fabrication.

Notons cependant qu'il existe des accumulateurs Li-ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) qui ne sont pas touchés par ce vieillissement, grâce à une chimie plus travaillée et une gestion électronique poussée. Ces éléments peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, vehicules hybrides, dispositifs de secours). Les satellites Galiléo par exemple sont équipés de batterie Li-ion d'une durée de vie de douze ans [4]. Cependant l'utilisation de la technologie Li-ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.

Avantages des accumulateurs lithium-ion

Faiblesses des accumulateurs lithium-ion

Pour éviter les problèmes, ces batteries doivent toujours être équipées d'un circuit de protection, d'un fusible thermique et d'une soupape de décharge. Elles doivent être chargées en respectant des paramètres particulièrement précis et ne jamais être déchargées en-dessous de 2, 5 V par élément.

Anecdote : Plusieurs constructeurs comme Nokia et Fujitsu-Siemens ont lancé un programme d'échange de batteries suite à des problèmes de surchauffe sur certaines batteries qu'ils ont vendu[5] [6].

Prolonger la vie d'une batterie Li-ion (lithium-ion)

Li-Po

Appellation commerciale du Li-ion polymère où l'électrolyte est un polymère gélifié.

Attention certaines batteries Li-Po sont commercialisées sans circuit de protection et doivent par conséquent être manipulées avec une grande précaution.

La batterie Li-Po utilise un principe de fonctionnement identique aux batteries Li-ion et a des caractéristiques proches mais possèdent tout de même quelques différences.

Avantages des Li-Po/Li-ion

Faiblesse des Li-Po/Li-ion

Utilisation

Des batteries Lithium polymère sont fréquemment utilisées pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits volants.

Leurs tensions vont de 6 V à plus de 10 V selon la taille de l'aéronef.

Lithium-air

La pile lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique particulièrement élevée (typiquement entre 1700 et 2400 Wh/kg en pratique pour un chiffre théorique de 5000 Wh/kg [7]). Cela est dû au fait d'une part que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans la pile (comme dans la majorité des piles à air), mais en particulier à la faible masse atomique ainsi qu'aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène. Délivrant une tension de 3, 4 V, elle présente cependant certains inconvénients : corrosion, obligation de filtres (exige un air particulièrement pur) et faible puissance spécifique (200 W/kg - 500 W/L). Si les piles sont déjà commercialisées depuis plusieurs années (en particulier pour les piles d'appareils auditifs), les premiers modèles rechargeables sont récents. La recherche reste par conséquent particulièrement active dans ce domaine.

Lithium-phosphate [8]

Cette version, plus récente, a une tension légèrement plus faible (∼3.3V) mais se veut plus sûre, moins toxique et d'un coût moins élevé. En effet, le prix des batteries lithium-ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode, qui contient du cobalt et/ou du nickel, métaux particulièrement chers et rendant plus délicat le multi-sourcing. Dans une batterie Lithium à technologie phosphate, les cathodes standard (LiCoxNiyAlzO2) sont remplacées par le phosphate de fer LiFePO4, matériau peu cher, car ne contenant pas de métaux rares, et qui plus est non toxique contrairement au cobalt. En outre cette cathode est particulièrement stable et ne relâche pas d'oxygène (responsable des explosions et feux de batteries Li-ion) la rendant plus sûre.

Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de 30 kWh de batteries), une baisse de prix est impérative. Le coût d'une batterie Li-FePO est qui plus est de 1 000 €/kWh et devrait être abaissé sous 500 €/kWh pour atteindre ce marché.

Cependant des recherches sont toujours en cours pour s'assurer de leur durée de vie, d'amener leur capacité au niveau des autres technologies li-ion et , à long terme de leurs tenues à des températures élevées : il semblerait que la dissolution du fer (favorisée par la température) nuise à la cyclabilité de cette batterie.

Lithium Métal Polymère (LMP)

Elle se présente sous forme d'un film mince enroulé. Ce film d'une épaisseur de l'ordre d'une centaine de micromètre (un millionième de mètre), se compose de 5 couches[9] :

Caractéristiques

La densité massique est de 110 Wh/kg. Pour comparaison, elle contient presque 3 fois plus d'énergie que les batteries au plomb (∼40 Wh/kg) à poids identique car la structure en film mince est légère et maximise la surface de stockage utile d'énergie.

Il n'y a pas d'effet mémoire, on n'a par conséquent pas besoin de vider totalement l'accumulateur avant de la recharger.

La durée de vie annoncée des batteries utilisant cette technologie est de l'ordre de dix ans.

Cependant, pour un fonctionnement optimal, l'électrolyte a besoin d'être tenu à une température avoisinant 85 °C.

Avantages

Inconvénients

Disponibilité

Les batteries LMP étaient en développement chez deux sociétés : Batscap (Ergué-Gabéric, France) et Avestor (Boucherville, Québec). Cette dernière ayant été racquise le 6 mars 2007 par le groupe français Bolloré (propriétaire à 95 % de Batscap) en prévision d'une implantation sur le véhicule électrique du groupe : la Blue Car.

Notes et références

  1. abc Panasonic - Technologie LiIon [pdf]
  2. Jean-Baptiste Waldner, Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIe siècle, Hermes Science, Londres, 2007, p190 p. (ISBN 2746215160)
  3. W & B van Schalkwijk & Scrosati, Advances in Lithium-Ion Batteries, Kluwer Academic Publishers, 2002 (ISBN 0306475081)
  4. (en) saftbatteries. com, Communiqué de presse. [pdf]
  5. Nokia, remplacement des batteries BL-5C.
  6. Fujitsu-Siemens, programme d'échange de batterie.
  7. http ://www. batteriesdigest . com/lithium_air. htm
  8. (en) Valence Technology, Inc., Saphion Technology.
  9. Batscap - La batterie lithium métal polymère

Voir aussi

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_lithium.
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 14/03/2009.
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