Batterie aux ions lithium
Teneur
La batterie lithium-ion ou la batterie lithium-ion est un type de batterie au lithium
Technologies émergentes pour la mobilité électrique
Smartphones, caméras embarquées, drones, outils électriques, motos électriques, scooters… les batteries au lithium sont aujourd'hui omniprésentes dans notre quotidien et ont révolutionné de nombreux usages. Mais qu'apportent-ils concrètement et peuvent-ils encore évoluer ?
histoire
C'est dans les années 1970 que la batterie lithium-ion a été introduite par Stanley Whittingham. Les travaux de ce dernier seront poursuivis par John B. Goodenough et Akiro Yoshino en 1986. Ce n'est qu'en 1991 que Sony a lancé la première batterie de ce type sur le marché et a entamé une révolution technologique. En 2019, trois co-inventeurs ont reçu le prix Nobel de chimie.
Comment ça marche?
Une batterie lithium-ion est en fait un ensemble de plusieurs cellules lithium-ion qui stockent et restituent de l'énergie électrique. Une batterie est basée sur trois composants principaux : une électrode positive, appelée cathode, une électrode négative, appelée anode, et un électrolyte, une solution conductrice.
Lorsque la batterie est déchargée, l'anode émet des électrons à travers l'électrolyte vers la cathode, qui à son tour échange des ions positifs. Le mouvement change pendant la charge.
Par conséquent, le principe de fonctionnement reste le même que pour la batterie "plomb", sauf qu'ici le plomb et l'oxyde de plomb des électrodes sont remplacés par une cathode en oxyde de cobalt, qui comprend un peu de lys et une anode en graphite. De même, l'acide sulfurique ou le bain-marie cède la place à un électrolyte de sels de lithium.
L'électrolyte utilisé aujourd'hui est sous forme liquide, mais la recherche s'oriente vers un électrolyte solide, plus sûr et plus durable.
avantages
Pourquoi la batterie lithium-ion a-t-elle supplanté tout le monde au cours des 20 dernières années ?
La réponse est simple. Cette batterie offre une excellente densité énergétique et offre donc les mêmes performances pour un gain de poids par rapport au plomb, nickel...
Ces batteries ont également une autodécharge relativement faible (maximum 10 % par mois), sans entretien et sans effet mémoire.
Enfin, si elles sont plus chères que les anciennes technologies de batteries, elles sont moins chères que le lithium polymère (Li-Po) et restent plus performantes que le lithium phosphate (LiFePO4).
Limites
Cependant, les batteries lithium-ion ne sont pas idéales et, en particulier, endommagent davantage les cellules si elles sont complètement déchargées. Par conséquent, pour qu'ils ne perdent pas trop rapidement leurs propriétés, il vaut mieux les charger sans attendre qu'ils deviennent plats.
Tout d'abord, la batterie peut présenter de graves risques pour la sécurité. Lorsque la batterie est surchargée ou descend en dessous de -5°C, le lithium se solidifie à travers les dendrites de chaque électrode. Lorsque l'anode et la cathode sont reliées par leurs dendrites, la batterie peut prendre feu et exploser. De nombreux cas ont été signalés avec des Nokia, Fujitsu-Siemens ou Samsung, des explosions se sont également produites à bord d'avions, il est donc aujourd'hui interdit d'emporter une batterie lithium-ion en soute, et l'embarquement en cabine est souvent limité en terme de puissance (interdit ci-dessus 160 Wh et sous réserve d'autorisation de 100 à 160 Wh).
Ainsi, pour lutter contre ce phénomène, les constructeurs ont mis en place des systèmes de contrôle électronique (BMS) capables de mesurer la température de la batterie, de réguler la tension, et d'agir comme des disjoncteurs en cas d'anomalie. L'électrolyte solide ou le gel polymère sont également des perspectives explorées pour contourner le problème.
De plus, pour éviter la surchauffe, la charge de la batterie est ralentie au cours des 20 derniers pour cent, de sorte que les temps de charge ne sont souvent annoncés qu'à 80 % ...
Cependant, une batterie lithium-ion très pratique pour une utilisation quotidienne a un impact profond sur l'environnement, d'abord en extrayant le lithium, qui nécessite une quantité astronomique d'eau douce, puis en le recyclant en fin de vie. Cependant, le recyclage ou la réutilisation augmente d'année en année.
Quel est l'avenir du lithium-ion ?
Alors que la recherche s'oriente de plus en plus vers des technologies alternatives moins polluantes, plus durables, moins chères à fabriquer ou plus sûres, la batterie lithium-ion a-t-elle atteint son potentiel ?
La batterie lithium-ion, qui fonctionne à l'échelle industrielle depuis trois décennies, n'a pas eu son dernier mot et les développements continuent d'améliorer la densité énergétique, la vitesse de charge ou la sécurité. On l'a vu au fil des années, notamment dans le domaine des deux-roues motorisés, où le scooter n'existait qu'une cinquantaine de kilomètres il y a 5 ans, certaines motos dépassent aujourd'hui les 200 bornes d'autonomie.
Les promesses d'une révolution sont aussi légions comme l'électrode carbone Nawa, la batterie pliable Jenax, la température de fonctionnement de 105°C en NGK...
Malheureusement, la recherche est souvent confrontée à la dure réalité de la rentabilité et des impératifs industriels. En attendant le développement de technologies alternatives, notamment le lithium-air attendu, le lithium-ion a encore de beaux jours devant lui, notamment dans le monde des deux-roues électriques, où la réduction du poids et de l'encombrement sont des critères importants.
