Accumulateur lithium-ion

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
(Redirigé depuis Batterie lithium-ion)
Aller à : navigation, rechercher
Une batterie au 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 cantonne le lithium aux systèmes de petite taille[1].

Historique[modifier | modifier le code]

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[2].

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Aspect macroscopique[modifier | modifier le code]

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)[3]. 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 pure et simple (du Li-ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique). De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, notamment lors de la charge.

Ce problème de sécurité impose d'intégrer un système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium il 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. Par ailleurs, des spécialistes estiment que leur durée de vie serait limitée à environ deux ou trois ans de fonctionnement normal ( Téléphone portable / tablette ... ) [4].

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… Les sondes spatiales Galileo par exemple sont équipés de batteries Li-ion prévues pour douze ans[5]. 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[modifier | modifier le code]

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 relargué par l'oxyde de cobalt et va s'insérer dans la phase graphitique[6].

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

A l'électrode (+)

\mathrm{LiCoO_2}\leftrightarrows\mathrm{Li}_{1-x}\mathrm{CoO_2}+x\mathrm{Li^+}+x\mathrm{e^-}

A l'électrode (-)

x\mathrm{Li^+} + x\mathrm{e^-} + x\mathrm{C_6} \leftrightarrows\ x\mathrm{LiC_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_2O} + \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[modifier | modifier le code]

Avantages[modifier | modifier le code]

  • Ils possèdent une haute densité d'énergie pour un poids très faible, grâce aux propriétés physiques du lithium (densité massique d'énergie de 100–265 W·h/kg ou 0.36–0.95 MJ/kg, densité d'énergie de 250-620 W·h/L, ou 900-1900 J/cm³, puissance massique 300-1500 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 (10 % par mois voire souvent moins de quelques % par an).
  • 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

Faiblesses[modifier | modifier le code]

  • La profondeur de décharge : ces batteries vieillissent moins vite lorsqu'elles sont rechargées par des recharges partielles que lorsqu'elles subissent des cycles complets de décharge/ recharge[7].
  • 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 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 la charge 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[4].
  • 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. Et comme avec tout accumulateur : ne jamais mettre en court-circuit l'accumulateur, inverser les polarités, surcharger ni percer le boîtier.

Pour éviter les problèmes, ces batteries doivent toujours être équipées d'un circuit de protection, d'un circuit de régulation (le BMS, Battery Management System), 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.

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[8],[9],[10].

Charge et décharge[modifier | modifier le code]

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 V ou 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.

Enfin, les accumulateurs Li-ion ne doivent pas être confondus avec les piles Lithium qui ne sont pas rechargeables, la confusion est entretenue par un terme anglophone commun Battery.

Recherche et développement[modifier | modifier le code]

Le programme européen Life + soutient en 2013 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 »[11].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. I. Hanin, W. Van Schalkwijk, B. Scrosati, Advances in Lithium-Ion Batteries, Kluwer Academic Publishers,‎ (ISBN 0306475081).
  2. Marie-Liesse Doublet, « Batteries Li-ion – Conception théorique », Paris, Techniques de l'ingénieur, vol. AFP4, no AF6612, Éditions techniques de l'ingénieur, 2009, p. 2 [lire en ligne]
  3. Overview of Lithium Ion Batteries, janvier 2007, panasonic.com [PDF].
  4. a et b (en) « Durée de vie d'une batterie », sur http://en.wikipedia.org/ (consulté le 29 janvier 2015).
  5. (en) saftbatteries.com, Communiqué de presse. [PDF].
  6. D'après l'article anglais correspondant.
  7. (en) How to Charge - When to Charge Table, sur le site Battery University.
  8. Nokia, remplacement des batteries BL-5C., sur le site batteryreplacement.nokia.com
  9. Fujitsu-Siemens, programme d'échange de batterie., sur le site fujitsu-siemens.fr
  10. (en) Keith Bradsher, « China Vies to Be World’s Leader in Electric Cars », New York Times, .
  11. Projets soutenus par Life + élus en 2013.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]