Accumulateur lithium-ion

vignette|Une batterie d'accumulateurs lithium-ion Varta au Museum Autovision au Bade-Wurtemberg (Allemagne).

Une batterie lithium-ion, ou accumulateur lithium-ion, est un type d'accumulateur lithium.

Ses principaux avantages sont une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le nickel-hydrure métallique par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs.

Les batteries lithium-ion, dont le coût a été divisé par près de dix en onze ans (2000-2011), sont largement utilisés dans l'électrification des transports.

Historique Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium-ion occupe aujourd'hui une place prédominante sur le marché de l'électronique portableMarie-Liesse Doublet, « Batteries Li-ion – Conception théorique », Paris, , , Éditions techniques de l'ingénieur, 2009, ..

Le prix Nobel de chimie 2019 a été attribué aux innovateurs de la batterie lithium-ion : l’Anglais Stanley Whittingham, l’Américain John B. Goodenough et le Japonais Akira Yoshino. Stanley Whittingham est à l’origine de la toute première batterie au lithium, conçue dans les avec le soutien financier du groupe pétrolier Exxon, inquiété par la crise pétrolière, qui finit par interrompre ses subventions au sortir de cette crise. John Goodenough modifie le prototype de Stanley Whittingham en remplaçant les électrodes en sulfure de titane. par de l’oxyde de cobalt, rendant la batterie au lithium plus efficace et permettant d'envisager une commercialisation. En 1986, le Japonais Akira Yoshino la perfectionne en abandonnant le lithium pur dans l’anode, le remplaçant avec du coke de pétrole, ce qui permet à la fois d’alléger la batterie, de gagner en stabilité et en longévité« Le prix Nobel de chimie 2019 attribué aux inventeurs de la batterie lithium-ion », 9 octobre 2019..

Les accumulateurs lithium-ion peuvent être conçus pour optimiser la densité d'énergie ou la densité de puissance. Les appareils électroniques portables utilisent principalement des batteries lithium-polymère (avec un gel de polymère comme électrolyte), une cathode en dioxyde de cobalt et de lithium () et une anode en graphite, offrent une densité d'énergie élevée. Le phosphate de fer et de lithium (), l'oxyde de manganèse et de lithium ( à structure spinelle, ou matériaux à structure lamellaire riches en lithium de type , LMR-NMC), et l'oxyde de nickel, de manganèse, de cobalt et de lithium ( ou NMC) peuvent avoir des durées de vie plus longues et des taux de décharge plus élevés. Les NMC et leurs dérivés sont largement utilisés dans l'électrification des transports, une des principales technologies (combiné avec les énergies renouvelables) pour réduire les émissions de gaz à effet de serre par les véhicules.

Principe de fonctionnement Aspect microscopique La batterie lithium-ion est basée sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive (la cathode), le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou de manganèse) et une électrode négative (l'anode) en graphite (sphère MCMB) , janvier 2007, sur panasonic.com.. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate d'éthylène, de carbonate de propylène ou de carbonate de diméthyle) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives et passiver l'électrode négative à base de graphiteNew electrolyte compositions stable over the 0 to 5 V voltage range and compatible with the Li1+xMn2O4/carbon Li-ion cells, ..

La tension nominale d’un élément Li-ion est de selon la technologie.

Cette équivalence un élément Li-ion = trois éléments Ni-MH est intéressante car elle permet parfois une substitution (du Li-ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique). Le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, notamment lors de la charge.

Les problèmes de sécurité imposent d'intégrer un système électronique de gestion embarqué (BMS), qui empêche une charge ou décharge trop profonde et permet l'équilibrage des tensions entre éléments dans les batteries constituées de plusieurs éléments en série ; à défaut, le danger peut aller jusqu'à l'explosion de la batterie. Les courants de charge et de décharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies.

Cependant, certains accumulateurs Li-ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) durent jusqu'à quinze ans, grâce à une chimie améliorée et une gestion électronique optimisée. Ils sont utilisés en aéronautique, dans les véhicules hybrides et électriques, les systèmes de secours, les navires EDF Énergies nouvelles a mis en service un ensemble de batterie Li-Ion de à McHenry (Illinois), destiné à réguler le réseau haute tension pour le compte de l'opérateur Les batteries lithium-ion, nouvel Eldorado américain ?, sur edf.com (consulté le 8 novembre 2016).. Les sondes spatiales Galileo par exemple sont équipées de batteries Li-ion prévues pour douze ans saftbatteries.com, communiqué de presse , sur pictime.fr.. L'utilisation de la technique Li-ion à ces échelles de puissance n'en était qu'à ses débuts dans les .

Aspect microscopique : électrochimie Les réactions électrochimiques permettant le fonctionnement d'un accumulateur forcent le déplacement d'ions lithium d'une électrode vers l'autre. En phase de décharge, l'ion Li est libéré par une matrice de graphite pour laquelle il a peu d'affinité et se déplace vers un oxyde de cobalt avec lequel il a une grande affinité. Lors de la charge, l'ion Li est relâché par l'oxyde de cobalt et va s'insérer dans la phase graphitiqueD'après l'article anglais correspondant..

Lors de la décharge de l'accumulateur, cela se traduit par les équations chimiques suivantes :

à l'électrode (+) :

à l'électrode (-) :

.

Le processus de décharge est limité par la sursaturation de l'oxyde de cobalt et la production d'oxyde de lithium qui n'est plus susceptible de restituer l'ion Li :

Lors de la charge, les équations sont à considérer dans l'autre sens.

Une surcharge de conduit à la synthèse d'oxyde de cobalt(IV) .

Au sein de l'accumulateur lithium-ion, les ions Li font donc la navette entre les deux électrodes à chaque cycle de charge/décharge mais la réversibilité n'est possible que pour < 0,5.

Le métal de transition de l'électrode positive, le cobalt (Co), est réduit de Co à Co lors de la décharge, et oxydé de Co à Co lors de la charge.

La capacité d'un tel accumulateur est égale à la charge globale des ions transportés divisée par la tension d'utilisation. Chaque mole d'ions lithium déplacée d'une électrode vers l'autre transporte une charge égale à la constante de Faraday et donc chaque gramme d'ions lithium transporte une charge égale à la constante de Faraday divisée par la masse molaire du lithium, soit (96 485,33 C/mol) / () = /g. Pour une tension de , cela correspond à de lithium donneur d’électron, soit . Le lithium seul ne serait toutefois pas capable de générer la décharge électrique, le système fonctionnant seulement en présence d'un anion (CoO dans l'application industrielle). Si on considère que la masse de l'anion oxyde de cobalt vaut treize fois la masse du cation, un accumulateur à cathode en LiCoO fonctionnel pourrait théoriquement accumuler d’énergie électrique, sans considérer la masse des autres composantes nécessaires à son fonctionnement qui réduit la capacité énergétique de l'accumulateur.

Avantages et inconvénients de l'accumulateur lithium-ion

Avantages Ils possèdent une haute densité d'énergie, grâce aux propriétés physiques du lithium (densité massique d'énergie de ou , densité d'énergie de , ou , puissance massique ). Ces accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes embarqués. Ils ne présentent aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel. Ils ont une faible auto-décharge. Ils ne nécessitent pas de maintenance. Ils peuvent permettre une meilleure sécurité que les batteries purement lithium, mais ils nécessitent toujours un circuit de protection et de gestion de la charge et de la décharge.

Inconvénients La nature des cycles de décharge : ces batteries préservent mieux leur capacité lorsqu'elles sont rechargées à partir d'un état de décharge partielle que lorsqu'elles subissent des cycles complets de décharge/recharge How to Charge - When to Charge Table, sur batteryuniversity.com.. La décharge profonde (< par élément ou < 5 % de la capacité totale) est destructrice et peut altérer irrémédiablement l'endurance de ces batteries. Elles doivent donc être chargées en respectant des paramètres très précis et ne jamais être déchargées en dessous de par élément. Les éléments lithium-ion sont passivés par construction (génération de la SEI pour solid electrolyte interphase, lors de l'étape de formation électriqueCouche de passivation, sur iramis.cea.fr.) afin de les protéger contre l'auto-décharge pendant le stockage et contre la corrosion. Cependant, cette passivation peut avoir des inconvénients car, en augmentant la résistance interne de l'élément, elle génère une chute de tension lors de l'utilisation (au début de l'application de la charge). Ceci est d'autant plus sensible que le courant demandé par l'utilisation est élevé, ce qui peut conduire à l'intervention du circuit de protection qui coupe alors le circuit si la tension par élément descend en dessous de . Cette résistance de la couche de passivation augmente avec la durée et la température de stockage (les températures élevées augmentent la passivation). D'autre part, cet effet est accentué si la température de décharge est basse et augmente avec les cycles d'utilisation. Mais, l'amplitude du phénomène est aussi fonction de la conception chimique qui n'est pas la même selon les fabricants. Les courants de charge et de décharge admissibles sont plus faibles qu'avec d'autres techniques. Il peut se produire un court-circuit entre les deux électrodes par croissance dendritique de lithium. L'utilisation d'un électrolyte liquide présente des dangers si une fuite se produit et que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau (transformation en liquide corrosif : l'hydroxyde de lithium). Cette technique mal utilisée présente des dangers potentiels : elles peuvent se dégrader en chauffant au-delà de , entraînant ainsi une réaction brutale et dangereuse. Il faut toujours manipuler les accumulateurs lithium-ion avec une extrême précaution, ces batteries peuvent être explosives. Comme avec tout accumulateur d'électricité ne jamais mettre en court-circuit l'accumulateur, inverser les polarités, surcharger ni percer le boîtier. Pour éviter tout problème, ces batteries doivent toujours être équipées d'un circuit de protection, d'un circuit de régulation (en anglais le BMS de signifiant « gestion de la batterie »), d'un fusible thermique et d'une soupape de sécurité. Selon une analyse du cycle de vie de 2013 ayant notamment porté sur leur recyclabilité, des tests standardisés de lixiviation ont montré qu'au regard de la règlementation fédérale américaine, ces batteries Li-ion doivent être classées dangereuses pour la santé et l'environnement ( teneur moyenne en plomb de ), mais qu'au regard d'autres normes ( règlementation californienne), toutes les batteries Li-ion testées étaient à classer dangereuses pour leur teneur excessive en cobalt ( en moyenne), en cuivre ( en moyenne) et en nickel ( en moyenne) ; et pour certaines d'entre elles, les quantités de chrome, de plomb et de thallium lixiviées dépassaient également les limites règlementaires californiennes.. Le coût important a longtemps cantonné le lithium aux systèmes de petite taille..

Risques liés à la surchauffe d'élément