Accumulateur lithium-ion

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

Une batterie de petite taille pour appareil portable.

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. Cependant, le coût reste important et a longtemps cantonné le lithium aux systèmes de petite taille.

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 portable.

Principe de fonctionnement

Aspect microscopique

La batterie lithium-ion est basée sur 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 d'éthylène, de carbonate de propylène ou de tétrahydrofurane) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.

La tension nominale d’un élément Li-ion est de 3,6 ou 3,7 V (selon la technologie).

Cette équivalence : 1 élément Li-ion = 3 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 protection 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 15 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 20 MWh à McHenry (Illinois) destiné à réguler le réseau haute tension pour le compte de l'opérateur PJM Interconnection (en). Les sondes spatiales Galileo par exemple sont équipées de batteries Li-ion prévues pour douze ans. L'utilisation de la technique Li-ion à ces échelles de puissance n'en était qu'à ses débuts dans les années 2000.

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 graphitique.

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

À l'électrode (+) :

$\mathrm {Li} _{1-x}\mathrm {CoO_{2}} +x\mathrm {Li^{+}} +x\mathrm {e^{-}} \leftrightarrows \mathrm {LiCoO_{2}}$

À l'électrode (-) :

$x\mathrm {LiC_{6}} \leftrightarrows x\mathrm {Li^{+}} +x\mathrm {e^{-}} +x\mathrm {C_{6}}$

Lors de la charge, les équations sont à considérer dans l'autre sens. Le processus de charge est limité par la sursaturation de l'oxyde de cobalt et la production d'oxyde de lithium Li₂O qui n'est plus susceptible de restituer l'ion Li⁺.

$\mathrm {Li^{+}} +\mathrm {e^{-}} +\mathrm {LiCoO_{2}} \rightarrow \mathrm {Li_{2}O} +\mathrm {CoO}$

Une surcharge de 5,2 V conduit à la synthèse d'oxyde de cobalt(IV) CoO₂.

$\mathrm {LiCoO_{2}} \rightarrow \mathrm {Li^{+}} +\mathrm {CoO_{2}} +\mathrm {e^{-}}$

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 $x$ < 0,5.

La capacité énergétique d'un tel accumulateur est égale à la charge globale des ions transportés multipliée par la tension d'utilisation. Chaque gramme d'ions lithium déplacé d'une électrode vers l'autre transporte une charge égale à la constante de Faraday/6,941 soit 13 901 coulombs. Pour une tension de 3 V, cela correspond à 41,7 kJ par gramme de lithium, soit 11,6 kWh par kg. Cela représente un peu plus que la combustion d'un kg d'essence, mais bien évidemment il faut aussi considérer la masse des autres matériaux nécessaires au fonctionnement 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 100 à 265 W.h/kg ou 0,36 à 0,95 MJ/kg, densité d'énergie de 250 à 620 W·h/L, ou 900 à 1 900 J/cm³, puissance massique 300 à 1 500 W/kg et 285 W·h/L). 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 (quelques % par an à 10 % par mois).
• 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.
• La décharge profonde (< 2,5 V par élément ou < 5 % de la capacité totale) est destructrice et peut altérer irrémédiablement l'endurance de ces batteries.
• Les éléments lithium-ion sont passivés par construction (par exemple par dépôt d'un mince film de chlorure de lithium sur l'anode) 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 2,5 V. 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 80 °C en 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 Battery Management System signifiant « gestion de la batterie »), d'un fusible thermique et d'une soupape de sécurité.
• Elles doivent être chargées en respectant des paramètres très précis et ne jamais être déchargées en dessous de 2,5 V par élément.

Risques liés à la surchauffe d'élément

Plusieurs constructeurs comme Nokia et Fujitsu-Siemens ont lancé un programme d'échange de batteries à la suite de problèmes de surchauffe sur certaines batteries qu'ils avaient vendues.

En 2016, le constructeur de produits mobile Samsung a même dû retirer son Galaxy Note 7 suite à plusieurs cas d'incendie et d'explosions.

Charge et décharge

La charge se passe généralement en deux phases, une première phase à courant limité de l'ordre de C/2 à 1 C (C étant la capacité de l'accumulateur). Cette phase permet une charge rapide jusqu'à environ 80 %, puis une deuxième phase à tension constante et courant décroissant pour se rapprocher des 100 % de charge en environ deux heures de plus. La charge est terminée lorsque le courant de charge chute en dessous d'une valeur appelée courant de fin de charge.

La tension de fin de charge des accumulateurs Li-ion peut être de 4,1 à 4,2 V suivant la spécification du fabricant de l'accumulateur. La tolérance couramment admise est de ± 0,05 V par élément, ils sont très sensibles à la surcharge et demandent une protection lorsqu'ils sont connectés en série. Les chargeurs doivent être de bonne qualité pour respecter cette tolérance. Il importe de toujours respecter la feuille de données fournie par le fabricant, qui fait état des conditions de charge de l'accumulateur (tolérance, courant de charge, courant de fin de charge, etc.). Toutefois, certains éléments destinés au grand public possèdent une électronique interne qui les protège des mauvaises manipulations (surcharge, décharge profonde). En effet, la décharge doit être limitée à une tension de 3 V par élément, une tension de décharge inférieure à 2,5 V peut conduire à une destruction de l'élément.

Les accumulateurs Li-ion ne doivent pas être confondus avec les piles au Lithium qui ne sont pas rechargeables. La confusion est entretenue par le terme anglais Battery qui désigne aussi bien une pile électrique (primary battery ou primary cell en anglais) qu'un accumulateur (secondary battery ou secondary cell en anglais), alors qu'en français le terme batterie est utilisé, improprement, pour désigner généralement une « batterie d'accumulateurs électriques ».

Amélioration de la durée de vie, conditions requises

Si l'on respecte rigoureusement les conditions de charge et décharge, ces accumulateurs peuvent durer 5 à 6 ans pour des produits « grand-public » (vélos électriques, smartphones, appareils photos) et plus d'une dizaine d'années pour des produits industriels.

Respecter les particularités électriques

• la tension de fin de charge à ne « jamais » dépasser est de (4,1 à 4,2 V par élément) ;
• la tension de décharge ne devrait jamais descendre en dessous de 3 V.

Avec un chargeur adapté de qualité et un système de gestion de batterie (BMS), ces impératifs sont normalement respectés.

Respecter quelques consignes d'utilisation

• Échauffement :

Éviter l'échauffement de l'accumulateur :

• contenant noir, exposé au soleil ;
• ne pas recharger immédiatement après une utilisation intensive ;
• ne pas utiliser immédiatement après une recharge ;
• éviter les décharges importantes (exemple : monter une côte en vélo électrique sans pédaler).

• Stockage

Les accumulateurs s'usent même sans servir (à l'achat, vérifier la date de fabrication).

• Stocker si possible dans un endroit frais (le froid ralentit les réactions chimiques).
• Si le stockage doit être long (plusieurs semaines ou mois), il est préférable de ne pas charger complètement l'accumulateur (passivation des électrodes) mais le laisser à mi-charge ET il faudra faire des recharges partielles tous les mois pour réactiver l'électrolyte et les électrodes et compenser l'auto-décharge (5 à 10 % par mois).

En respectant ces conditions, l'accumulateur pourra continuer à fonctionner, tout en sachant néanmoins que sa capacité (en Ah) diminuera d'année en année.

La fin de vie intervient quand, lors de la décharge, le BMS détecte une tension inférieure au seuil de coupure, même sur un seul élément, et coupe l'alimentation. Il peut rester 10 à 20 % de capacité dans l’accumulateur, mais on ne peut plus l'utiliser. La fin de vie peut aussi advenir parce qu'on a épuisé le nombre de cycles charge-décharge du produit, mais cela devient rare, le nombre de cycles possibles ayant augmenté (environ de 500 à 1000).

Un appareil équipé d'une batterie au lithium-ion fournit moins d'énergie lorsque les températures sont négatives. Il est conseillé de garder son smartphone, sa tablette ou tout autre appareil électronique équipé d'une batterie au lithium-ion dans un endroit à la température comprise entre 0 et 35°, avec une zone de confort entre 16 et 22°. Lorsque les températures chutent, les réactions chimiques qui produisent de l'énergie sont moins actives. De ce fait, l'énergie fournie est moindre. Les performances de la batterie reviennent toutefois à la normale, lorsque les températures remontent.

Production

Le japonais Panasonic reste au 1^er rang mondial des fabricants de cellules pour batteries au premier quadrimestre 2018 avec une production de 3 330 MWh, en progression de 21,5 % par rapport à 2017, mais sa part de marché recule de 31,4 % à 21,1 % ; au 2^e rang, le chinois CATL a produit 2 274 MWh, en progression de 261 % (14,4 % du marché), et au 3^e rang, le chinois BYD 1 735 MWh (+180,6 % ; 11 % du marché) ; au 4^e rang, le coréen LG Chem, avec 1 670 MWh (+39 %) recule de 13,8 % à 10,6 % du marché et au 5^e rang, le coréen Samsung SDI 1 735 MWh (+47 %) recule de 6,8 % à 5,6 % du marché. Au total, ces cinq producteurs représentent 64 % du marché mondial.

Tesla a construit sa Gigafactory 1 au Nevada avec une capacité de 35 GWh/an et prévoit des Gigafactory 2 et suivantes à Buffalo dans l'État de New York, au Japon et en Chine. Tesla a sécurisé en mai 2018 ses approvisionnements en lithium pour trois ans grâce à un contrat avec la compagnie australienne Kidman Resources.

Le projet Northvolt, soutenu par la Commission Européenne via un prêt de la BEI de 52,5 millions d’euros, a été initié par deux anciens de chez Tesla ; il rassemble Scania, Siemens et ABB pour construire en Suède une usine de batteries qui devrait entrer en service en 2020 avec un objectif de production de 8 GWh/an de cellules, puis 32 GWh/an d’ici 2023. La construction de l'usine a commencé le 8 juin 2018 à Skellefteå, en Suède ; le consortium Northvolt a reçu l'adhésion du fabricant danois d'éoliennes Vestas. Les deux fondateurs, Peter Carlsson, ancien responsable production de la Model S, et Paulo Cerruti, ont choisi la Suède parce qu'on y dispose d'une énergie pas chère et à 100 % hydraulique, ce qui permet de minimiser les émissions de CO₂ ; ils espèrent aussi pouvoir s'approvisionner en nickel, cobalt, lithium et graphite en Scandinavie. Afin d'être compétitifs avec les géants asiatiques, ils comptent réduire leurs coûts par une intégration verticale très forte et automatiser les process.

Soutenue par la Commission européenne et sa banque d’investissement, l’European Battery Alliance (EBA) veut promouvoir un « Airbus des batteries » ; elle estime qu’il faudrait « au moins 10 à 20 gigafactories » pour satisfaire la demande de l’Union Européenne en batteries. Dès 2025, le continent pourrait capter un marché de 250 milliards d’euros, alors qu'en 2018 les constructeurs asiatiques monopolisent ce marché. Après avoir soutenu le projet Northvolt, ils poussent les projets du français Saft, récemment racheté par Total et du consortium allemand Terra-E.

Les entreprises coréennes LG Chem et Samsung SDI exploitent déjà (en 2018) des usines de cellules pour batteries en Europe, respectivement en Pologne et en Hongrie, et le fabricant chinois de batteries CATL (Contemporary Amperex Technology), qui a signé des contrats de fourniture avec BMW, Volkswagen, Daimler et l’alliance Nissan-Renault, envisage la construction d’une usine en Europe. CATL a décidé en juin 2018 de construire cette usine à Erfurt en Allemagne ; elle aura une capacité de 14 GWh/an.

En juin 2018, le gouvernement chinois a supprimé toute subvention pour les batteries qui n'assurent pas une autonomie d'au moins 150 km ; cette nouvelle politique va déclencher une consolidation à grande échelle dans l'industrie des batteries automobiles en Asie, où sévit une centaine d'acteurs. Les producteurs japonais et sud-coréens ont eux aussi programmé une montée en puissance rapide. Entre 2017 et 2020, Panasonic, qui travaille quasi exclusivement pour Tesla, va plus que doubler ses volumes de production avec l'inauguration de sa Gigafactory au Nevada au début des années 2020. CATL va quintupler ses capacités de production d'ici à 2020 grâce à une usine chinoise géante. Le nouveau site de LG Chem à Wroclaw en Pologne va approvisionner Renault, Audi ou Volvo. Samsung SDI a transformé une ancienne usine d'écrans plasma à Goed en Hongrie en un centre de production de batteries lithium-ion afin de livrer Volkswagen et BMW ; ce dernier a cependant signé un contrat avec CATL.

Le 13 novembre 2018, Peter Altmeier, ministre de l'Économie et de l'Énergie allemand, annonce la mobilisation d'un milliard d'euros d'ici à 2021 pour faciliter le lancement d'une production de cellules lithium-ion en Allemagne, afin que l'Allemagne et l'Europe puissent satisfaire 30 % de la demande mondiale d'ici à 2030.

La Commission européenne a donné le 2 mai 2019 son accord « de principe » au versement par Paris et Bruxelles de subventions aux projets d'« Alliance européenne des batteries », sans que celles-ci soient jugées comme des aides d'état illégales. Le montant des subventions autorisées sera cependant limité à 1,2 milliard d'euros, soit moins que le 1,7 milliard promis par la France et l'Allemagne. En ajoutant les fonds privés, les investissements dans cette initiative pourraient représenter jusqu'à 5 à 6 milliards d'euros. Peter Altmaier, ministre allemand de l'économie, annonce avoir reçu plus de 35 marques d'intérêt. Son homologue français Bruno Le Maire a confirmé que le premier projet est porté par Saft, propriété du groupe Total, et PSA, via sa filiale allemande Opel ; il débutera par une usine pilote de 200 salariés, dès 2020, en France, puis deux usines de production, l'une en France et l'autre en Allemagne, de 1 500 salariés chacune, d'ici 2022-23, qui produiront d'abord des batteries lithium-ion liquides « améliorées », puis adopteront à partir de 2025-2026 la technologie solide.

La Roumanie annonce en juin 2019 la réouverture de plusieurs mines pour contribuer au projet d’Alliance européenne des batteries. Il s'agit de mines de cobalt, utilisé pour la fabrication des cathodes dans les cellules des accumulateurs lithium-ion, et de graphite, principal constituant des anodes.

Recyclage

Une usine de recyclage des batteries de véhicules électriques, lancée à titre expérimental en 2011 à Dieuze (Moselle) par Veolia et Renault, va passer au stade industriel avec des aides du « programme investissements d'avenir », passant de 1 000 tonnes recyclées en 2014 à 5 000 tonnes prévues en 2020.

La Société nouvelle d'affinage des métaux (Snam) à Viviez (Aveyron), filiale du holding belge Floridienne, retraite 6 000 tonnes d'accumulateurs par an, dont 8 % de batteries d'automobiles ; elle fabriquera à partir de 2018 des batteries avec les composants recyclés. SNAM ouvrira d'abord au printemps 2018 un atelier pilote de batteries lithium-ion recyclées. Pour la fabrication en série, l'entreprise cherche un nouveau site dans l'Aveyron pour ouvrir en 2019 une usine d'une capacité de 20 MWh par an. Elle améliorera ensuite les procédés pour passer à 4 000 MWh par an vers 2025. Les constructeurs automobiles ne voulant pas de batteries recyclées, la société vise le marché en croissance du stockage de l'électricité dans l'industrie, le bâtiment et les énergies renouvelables.

La société belge Umicore exploite une usine de recyclage de batteries à Hoboken près d’Anvers. L’entreprise allemande Saubermacher et sa filiale autrichienne Redux Recycling ont inauguré en juin 2018 une usine de recyclage de batteries pour véhicules électriques à Bremerhaven, dans le nord de l’Allemagne. Le site est capable de traiter tous les types de batteries lithium-ion et a une capacité de 10 000 tonnes par an. Le volume de batteries en fin de seconde vie étant encore faible, les partenaires s’attendent à ne recycler que 2 000 à 3 000 tonnes/an au cours des prochaines années.

Recherche et développement

En 2011, le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux bat le record du monde de distance pour une propulsion électrique en équipant un véhicule de batteries lithium-ion à base de phosphate de fer qui parcourt 1 280 kilomètres en 24 heures autour de Grenoble.

En 2013, le programme européen Life + soutient un projet dit « LIFE BIBAT » porté par le commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives visant à « valider une ligne pilote pour une nouvelle génération de batteries lithium-ion écologiques de conception bipolaire. Le projet BiBAT vise à satisfaire aux besoins énergétiques et à remédier au problème de l'épuisement des ressources dans le cadre de la fabrication de batteries lithium-ion ».

Articles connexes

• Accumulateur lithium
  • Accumulateur lithium métal polymère (LMP)
• Accumulateur électrique
• Lithium
• Système de contrôle des batteries d'accumulateurs
• Stockage de l'énergie