Accumulateur lithium

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Accumulateur lithium[1],[2]
Accumulateur lithium de Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne
Accumulateur lithium de Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne
Caractéristiques
Énergie/Poids 100 à 250 Wh/kg
Énergie/Volume 200 à 620 Wh/ℓ
Rendement charge-décharge 90 %
Auto-décharge 1 % à 10 % par mois
Durée de vie 7 ans
Nombre de cycles de charge 1 200 cycles
Tension nominale par élément 3,6 ou 3,7 V
Accumulateur lithium cylindrique avant la fermeture (18650)

Un accumulateur lithium est un accumulateur électrochimique dont la réaction est fondée sur l’élément lithium.

Au début du XXIe siècle, c’est l’accumulateur qui offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume)[3].

L'astromobile Opportunity possède une batterie au lithium-ion rechargeable avec ses panneaux solaires. Il a fonctionné pendant de nombreuses années malgré un froid intense à −100 °C sur la planète Mars.

Trois sortes d'accumulateurs[modifier | modifier le code]

Il existe trois sortes principales d'accumulateurs lithium :

  1. l'accumulateur lithium métal, où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité)
  2. les accumulateurs lithium-ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive (dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer).
  3. Les accumulateurs lithium-polymère sont une variante et une alternative aux accumulateurs lithium-ion, ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.

Contrairement aux autres accumulateurs, les accumulateurs lithium 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 lithium ion. Ceci explique la profusion de variantes existantes, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales à propos de cet accumulateur, les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique, etc.) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance.

Accumulateur lithium-ion[modifier | modifier le code]

Article détaillé : accumulateur lithium-ion.

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

La tension nominale d’un élément Li-Ion est de 3,6 V ou 3,7 V .

Accumulateur lithium-ion polymère (Li-Po)[modifier | modifier le code]

L'électrolyte est un polymère gélifié. L'accumulateur Li-Po utilise un principe de fonctionnement semblable aux accumulateurs Li-ion et a des caractéristiques proches.

Avantages[modifier | modifier le code]

  • Piles et batteries pouvant prendre des formes fines et variées (carte de crédit).
  • Peuvent être déposées sur un support flexible.
  • Faible poids (le Li-Po permet parfois d'éliminer la lourde enveloppe de métal).
  • Plus sûres que les Li-ion (plus résistantes à la surcharge et aux fuites d'électrolytes).

Faiblesses[modifier | modifier le code]

  • Densité énergétique plus faible que les Li-ion.
  • Plus cher que le Li-ion.
  • Charge soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation.
  • Moins de cycles de vie.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Des accumulateurs lithium-polymère sont couramment utilisés pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits (voiture, avion, drone, etc.), aux ULM's et paramoteurs, aux véhicules électrique terrestre[réf. souhaitée], vélos, motos, scooters, karting ainsi qu'aux bateaux en motorisation principale ou de secours. Les sociétés Yuneec (Chine) et Electravia (France) utilisent par exemple, depuis 2007, des batteries lithium-polymère industrielles pour faire voler leurs avions. Les systèmes électroniques de surveillance (BMS et PCM) permettent de sécuriser l'emploi de ces batteries dans le domaine aéronautique.

C'est également grâce à cette technologie[4] que, le 7 avril 2010[5], le Solar Impulse, un prototype d'avion solaire, a effectué avec succès son premier vol au départ d'une base aérienne située en Suisse.

La tension d'un élément Li-Po est de 3,7 V ; plusieurs éléments sont généralement assemblés en « packs »:

  • les tensions sont additionnées, dans le cas d'un assemblage en série (3,7 V ; 7,4 V ; 11,1 Vetc.)
  • La capacité du pack sont la somme de celle de chaque élémeny dans le cas d'un assemblage en parallèle.

Elles sont de plus en plus utilisées pour les vélos à assistance électrique, avec couramment une tension de 25,9 V avec 7 éléments en série.

Accumulateur lithium-air[modifier | modifier le code]

L'accumulateur lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (typiquement entre 1 700 et 2 400 Wh/kg en pratique pour un chiffre théorique de 5 000 Wh/kg[6]). Cela est dû au fait d'une part que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans l'accumulateur (comme dans la plupart des piles et accumulateurs à air), mais surtout à la faible masse atomique et aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène. Délivrant une tension de 3,4 V, elle présente toutefois certains inconvénients  : corrosion, nécessité de filtres (exige un air très pur) et faible puissance spécifique (200 W/kg - 500 W/L). Ces batteries ne sont pas encore commercialisées et nécessiteront encore des années de recherche en laboratoire[7].

En janvier 2013, BMW et Toyota collaborent afin de développer la prochaine génération de batteries lithium-air, qui seront utilisées dans des véhicules hybrides et électriques[8],[9].

Accumulateur lithium-fer-phosphate (LFP)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : accumulateur lithium fer phosphate.

L'accumulateur LFP, aussi appelé LiFe ou LiFePO4, a une tension un peu plus faible (~3,3 V) mais est plus sûr, moins toxique et d'un coût moins élevé. En effet, le prix des piles et batteries au lithium-ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode qui contient du cobalt et/ou du nickel, métaux très chers et rendant plus délicat leur approvisionnement auprès de différents fournisseurs.

Dans un accumulateur lithium à technique phosphate, les cathodes standard LiCoxNiyAlzO2 sont remplacées par le phosphate de fer lithié LiFePO4, matériau peu cher car ne contenant pas de métaux rares et de plus non toxiques contrairement au cobalt. De plus, cette cathode est très stable et ne relâche pas d'oxygène responsable des explosions et feux des accumulateurs Li-ion la rendant plus sûre[10].

Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de 30 kWh d'accumulateurs) une baisse de prix est impérative. En 2007 le coût d'un accumulateur LFP est de plus de 1 000 €/kWh et doit être abaissé sous 500 €/kWh pour atteindre ce marché. Certains fabricants chinois proposent au 15 juin 2011 des accumulateurs de 3,2 V 16 Ah (soit 51 Wh) pour 21 $, soit 15 €[11], ce qui donne un prix de 300 €/kWh environ[réf. nécessaire]. Attention, ce type de batteries requiert l'utilisation de BMS (sécurités), le BMS rajoute environ 20 % au prix.

Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie, amener leur capacité au niveau des autres techniques Li-ion et, à long terme, améliorer leur tenue à des températures élevées : il semblerait que la dissolution du fer (favorisée par la température) nuise à la cyclabilité de ce type d'accumulateur.

En mars 2009, une équipe du MIT[12] a mis au point un procédé permettant de doper considérablement la vitesse de charge des accumulateurs lithium-ion, que l'on retrouve dans la plupart de nos appareils high-tech. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine des voitures électrique dont le principal problème outre le coût est le temps de recharge des accumulateurs.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

  • Sa densité massique est de 131 Wh/kg[2], et la densité volumique est de 247 Wh/l, c'est donc une batterie puissante, mais lourde pour sa taille. Sa puissance spécifique est très élevée : jusqu'à 2700 W/kg et 6000 W/l[13]. Toutes ces valeurs sont pour le modèle prismatique de A123, les autres modèles étant plus lourds et moins puissants.
  • La durée de vie (80 % de capacité) annoncée des batteries est de l'ordre de 7 ans et 3000 cycles à +1/-1C à 23°C, ou 3000 cycles +1.2/-2C à 45°C, ou encore 3 ans et 1500 cycles à +1.2/-8C à 23°C[14]. Il semblerait que les batteries supportent bien les hautes puissances et hautes températures mais que cela dégrade leur durée de vie.

Avantages[modifier | modifier le code]

  • Longue durée de vie sauf en utilisation intensive.
  • Entièrement solide (pas de risque d'explosion).
  • Puissance massique et volumique élevée.
  • Résistance série faible (6 à 10 mohm) donc faibles pertes dans la batterie.

Inconvénients[modifier | modifier le code]

  • Prix élevé, car la technologie est complexe.
  • Tension plus faible, gênant pour fabriquer les batteries de traction des véhicules électriques à haute tension.
  • Durée de vie faible en utilisation très intensive (> 50°C).

Accumulateur lithium métal polymère (LMP)[modifier | modifier le code]

Des batteries LMP, visant le marché automobile, sont développées par deux sociétés : Batscap (Ergué-Gabéric, France) et Bathium (ex-Avestor) (Boucherville, Québec). Cette dernière a été rachetée 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 Bluecar qui est en particulier utilisé dans le réseau en autopartage Autolib de Paris.

Les accumulateur LMP se présentent sous la forme d'un film mince enroulé. Ce film, d'une épaisseur de l'ordre d'une centaine de micromètres, est composé de 5 couches[15] :

  1. Isolant
  2. Anode : feuillard de lithium
  3. Électrolyte : composé de polyoxyéthylène (POE) et de sels de lithium [16].
  4. Cathode : composée d'oxyde de vanadium, de carbone et de polymère [16].
  5. Collecteur de courant : feuillard de métal, permettant d'assurer la connexion électrique.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

  • La densité massique est de 110 Wh/kg[17] soit une densité d'énergie près de 2,5 fois plus élevée que les batteries au plomb (~40 Wh/kg), à poids égal 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 donc pas besoin de vider complètement l'accumulateur avant de le recharger, comme les autres technologies lithium.
  • La durée de vie annoncée des batteries utilisant cette technique est de l'ordre de dix ans.

Avantages[modifier | modifier le code]

  • Entièrement solide (pas de risque d'explosion).
  • Faible auto-décharge.
  • Pas de polluant majeur dans la composition de l'accumulateur (sauf si utilisation d'oxyde de vanadium).

Inconvénients[modifier | modifier le code]

  • Fonctionnement optimal à température élevée, ce qui a pour conséquence que l'électrolyte « nécessiteraient d’être maintenue à 80°C en permanence »[18], avéré pour les batteries Batscap, ayant une température interne annoncée de 80 à 90°C[19].

Accumulateur lithium-titanate[modifier | modifier le code]

Article détaillé : accumulateur lithium–titanate.

L’accumulateur lithium-titanate est une évolution d'accumulateur lithium développée par Toshiba sous l’appellation Super Charge ion Battery (SCiB).

Disponibilité du lithium[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Lithium.

À l'avenir, certains craignent que le lithium bon marché ne vienne à manquer car, s'il est très abondant sur Terre, les sites où il est facile (et donc peu coûteux) à extraire sont rares. Plus de 75 % de la production vient des « salars » d'Amérique du Sud, Chili et Argentine essentiellement mais la décision de faire entrer en production le salar d'Uyuni en Bolivie a été prise en mars 2008. Une augmentation des coûts du lithium aurait un impact sur le coût des batteries et mettrait en danger son application au véhicule électrique.

Recyclage des métaux[modifier | modifier le code]

En 2009, le groupe japonais Nippon Mining & Metals a annoncé qu'il allait, avec l'aide du METI et suite à un appel à projet de ce dernier, mettre en fonction dès 2011 une unité industrielle de recyclage des cathodes de batteries lithium-ion, afin de récupérer le cobalt, le nickel, le lithium et le manganèse[20].

Recherche[modifier | modifier le code]

En Allemagne, le 5 mai 2009, l'Université technique de Freiberg a lancé une initiative « Lithium-Initiative Freiberg  » associant 5 universités et des partenaires industriels dans un pôle de compétence concernant les batteries lithium-ion plus sûres et efficientes pour l'industrie automobile. Une partie du projet vise en amont de la filière à améliorer les conditions d'extraction du lithium, en association avec l'Université de Potosi (proche du salar d'Uyuni) pour notamment améliorer les techniques d'évaporation solaire et de cristallisation sélective des sels. Dans le même temps des expériences seront faites sur les « Monts Métallifères » (Erzgebirge) de Saxe où du lithium est également présent à des concentrations qui devraient en faciliter l'extraction[21].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. [PDF]Panasonic - Technologie Li-Ion, sur le site panasonic.com
  2. a et b [PDF]Panasonic NCR18650A 3.1Ah, sur le site panasonic.com
  3. Jean-Baptiste Waldner, Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIe siècle, Londres, Hermes Science,‎ 2007, p190 p. (ISBN 2-7462-1516-0)
  4. (en) [PDF] Around the World in a Solar Airplane: Solar Impulse, page 4 Solar Impulse.com, consulté en septembre 2014
  5. Solar Impulse vol par vol europe1.fr, le 26 mai 2010
  6. (en) Lithium Primary Continues to Evolve Sur le site batteriesdigest.com
  7. Cartech - Batterie Lithium-Air, sur le site cartech.fr
  8. (en) BMW Group and Toyota Motor Corporation Deepen Collaboration by Signing Binding Agreements, Revue de presse BMW du 29 janvier 2013
  9. (en) Non trouvé le 1er septembre 2014, Revue de presse Toyota
  10. « Why Valence », sur valence.com (consulté le 9 septembre 2012).
  11. au taux de 1,41$ pour 1€
  12. (en)Re-engineered battery material could lead to rapid recharging of many devices, sur le site web.mit.edu
  13. http://www.a123energy.com/32113-lithium-iron-phosphate-high-power-batteries.htm
  14. http://www.a123energy.com/61135428-7138-4851-852c-460244a66dd1/resources-detail.htm
  15. Batscap - La batterie lithium métal polymère, sur le site batscap.com
  16. a et b dans le cas de la batterie de la société Batscap
  17. http://www.batscap.com/la-batterie-lithium-metal-polymere/caracteristiques.php
  18. Les batteries LMP Bolloré pas si écologiques ? ,sur le site voiture-electrique-populaire.fr, consulté le 10 décembre 2013
  19. http://www.batscap.com/la-batterie-lithium-metal-polymere/technologie.php
  20. [BE Japon numéro 514 (18/09/2009) - Ambassade de France au Japon / ADIT]
  21. Communiqué de presse, Technische Universität Bergakademie Freiberg - 5 mai 2009

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]