Batterie Li-on

Accumulateur lithium

Accumulateur lithium
Caractéristiques
Énergie/Poids 100-200[1] Wh/kg
Énergie/Volume 200-400[1] Wh/ℓ
Rendement charge-décharge 99,9 %
Auto-décharge 5 % à 10 % /mois
Durée de vie 24 à 36 mois
Nombre de cycles de charge 1 200 cycles
Tension nominale par élément 3,6 ou 3,7 V
Accumulateur lithium de Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne

Un accumulateur lithium est une technologie de stockage d'énergie de la famille des accumulateurs électrochimiques, dont la réaction est basée sur le lithium.

On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité), et la technologie 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). Les accumulateurs lithium polymère sont une alternative aux accumulateurs lithium-ion, ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.

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

En ce début de XXIe siècle, cette technologie offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume)[2].

Sommaire

Lithium-ion

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. Ses principaux avantages sont une densité d'énergie élevée (densité massique deux à cinq fois plus que le Ni-MH 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[3].

La batterie lithium-ion fonctionne 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)[1]. 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 selon la technologie. Cette équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH est très intéressante car elle permet dans certains cas de faire 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, en particulier 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 : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément).

Les courants de charge et de décharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Enfin, un autre défaut : les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation. Quel que soit le nombre de charges/décharges, leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ deux ou trois ans après fabrication.

Notons cependant qu'il existe des accumulateurs Li-ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) qui ne sont pas touchés par ce vieillissement, grâce à une chimie plus travaillée et une gestion électronique poussée. Ces éléments peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, vehicules hybrides, systèmes de secours). Les satellites Galiléo par exemple sont équipés de batterie Li-ion d'une durée de vie de douze ans [4]. Cependant l'utilisation de la technologie Li-ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.

Avantages des accumulateurs lithium-ion

  • Ils ne présentent aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel
  • Ont une faible autodécharge (10 % par mois voire souvent moins de quelques % par an !)
  • Ne nécessitent pas de maintenance
  • Possèdent une haute densité d'énergie pour un poids très faible, grâce aux propriétés physiques du lithium (très bon rapport poids/potentiel électrique). Ces accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes embarqués.
  • Permettent une meilleure sécurité que les batteries purement lithium, mais nécessitent toujours un circuit de protection.

Faiblesses des accumulateurs lithium-ion

  • La profondeur de décharge : ces batteries vieillissent moins vite lorsqu'elles sont rechargées tous les 10 % que lorsqu'elles le sont tous les 80 %[réf. nécessaire].
  • Sur les produits grand public, cette technologie vieillit même quand on ne s'en sert pas (corrosion interne et augmentation de la résistance interne[réf. nécessaire])
  • Les courants de charge et de décharge admissibles sont plus faibles qu'avec d'autres technologies.
  • 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.
  • Cette technologie 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 fusible thermique et d'une soupape de décharge. 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 suite à des problèmes de surchauffe sur certaines batteries qu'ils ont vendues[5],[6],[7].

Charge et décharge

Les accumulateur Li-ion de 3,6 V et 3,7 V doivent être chargés respectivement à 4,1 V et 4,2 V. La tolérance couramment admise est de +-0,05V 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 et ne sont pas compatibles entre élément 3,6 V et 3,7 V, toutefois certains éléments destinés au grand public possèdent une électronique interne qui les protège des mauvaises manipulations (surcharge, décharge profonde). La charge se passe généralement en deux phases, une première phase à courant limité de l'ordre de C/2 à 1C (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 2H de plus. La décharge doit être limitée à une tension de 3V 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 Lithium qui ne sont pas rechargeables, la confusion est entretenue par un terme anglophone commun "Battery".

Prolonger la vie d'une batterie Li-ion (lithium-ion)

  • Ne pas faire de décharge profonde.
  • Ne pas stocker les batteries trop longtemps sans les utiliser.
  • Stocker la batterie à température ambiante (beaucoup de constructeurs préconisent le stockage à 15 °C)
  • Stocker la batterie aux alentours de 40 % de charge.
  • Ne pas charger complétement la batterie avant de la stocker.
  • Ne pas décharger complétement la batterie avant de la stocker.
  • Ne pas faire de stock de batteries de rechange.
  • Lors de l'achat de la batterie, vérifier la date de fabrication, son usure commençant dès sa sortie d'usine.
  • Ne pas utiliser durant le temps de charge.

Li-Po

Appellation commerciale du Li-ion polymère où l'électrolyte est un polymère gélifié.

Attention certaines batteries Li-Po sont vendues sans circuit de protection et doivent donc être manipulées avec une grande précaution.

La batterie Li-Po utilise un principe de fonctionnement semblable aux batteries Li-ion et a des caractéristiques proches mais possède tout de même quelques différences.

Avantages des Li-Po

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

Faiblesse des Li-Po

  • 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

Des batteries Lithium polymère sont couramment utilisées pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits volants.

La tension d'un élément Li-Poly est de 3.7V. Plusieurs élément sont généralement assemblés en "Packs". Les tensions sont alors additionnées dans le cas d'un assemblage en série (3.7V, 7.4V, 11.1V, etc). Les capacités (mesurée en mAh) des éléments sont additionnés dans le cas d'un assemblage en parallèle.

Elles sont aussi de plus en plus utilisées pour les vélos à assistance électrique, avec couramment une tension de 24 V.

Lithium-air

La pile lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (typiquement entre 1700 et 2400 Wh/kg en pratique pour un chiffre théorique de 5000 Wh/kg [8]). Cela est dû au fait d'une part que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans la pile (comme dans la plupart des piles 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). Si les piles sont déjà commercialisées depuis plusieurs années (en particulier pour les piles d'appareils auditifs), les premiers modèles rechargeables sont récents. La recherche reste donc très active dans ce domaine.

Lithium-phosphate [9]

Cette version, plus récente, a une tension un peu plus faible (~3.3V) mais se veut plus sûre, moins toxique et d'un coût moins élevé. En effet, le prix des batteries 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 le multi-sourcing. Dans une batterie Lithium à technologie phosphate, les cathodes standard (LiCoxNiyAlzO2) sont remplacées par le phosphate de fer LiFePO4, matériau peu cher, car ne contenant pas de métaux rares, et de plus non toxique contrairement au cobalt. En outre cette cathode est très stable et ne relâche pas d'oxygène (responsable des explosions et feux de batteries Li-ion) la rendant plus sûre.

Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de 30 kWh de batteries), une baisse de prix est impérative. Le coût d'une batterie Li-FePO est de plus de 1 000 €/kWh et devrait être abaissé sous 500 €/kWh pour atteindre ce marché.

Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie, d'amener leur capacité au niveau des autres technologies li-ion et, à long terme de leurs tenues à des températures élevées : il semblerait que la dissolution du fer (favorisée par la température) nuise à la cyclabilité de cette batterie.

Une équipe du MIT[10] a mis au point en mars 2009 un procédé permettant de doper considérablement la vitesse de chargement des batteries lithium-ion que l'on retrouve dans la plupart de nos appareils high-tech. Dès 2009, une petite voiture entièrement électrique devrait rouler avec cette batterie en Europe dont le temps de charge est bien plus court que les batteries antérieures[11].

Lithium Métal Polymère (LMP)

Elle se présente sous forme d'un film mince enroulé. Ce film d'une épaisseur de l'ordre d'une centaine de micromètre (un millionième de mètre), est composé de 5 couches[12] :

  • Isolant
  • Anode : feuillard de lithium
  • Electrolyte : composé de polyoxyéthylène (POE) et de sels de lithium (dans le cas de la batterie de la société Batscap).
  • Cathode : composée d'oxyde de vanadium, de carbone et de polymère (dans le cas de la batterie de la société Batscap).
  • Collecteur de courant : feuillard de métal, permettant d'assurer la connexion électrique.

Caractéristiques

La densité massique est de 110 Wh/kg. Pour comparaison, elle contient presque 3 fois plus d'énergie 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 la recharger.

La durée de vie annoncée des batteries utilisant cette technologie est de l'ordre de dix ans.

Cependant, pour un fonctionnement optimal, l'électrolyte a besoin d'être maintenu à une température avoisinant 85 °C.

Avantages

  • 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

  • Fonctionnement optimal à température élevée.

Disponibilité

Les batteries LMP étaient en développement chez deux sociétés : Batscap (Ergué-Gabéric, France) et Avestor (Boucherville, Québec). Cette dernière ayant 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 Blue Car. A l'avenir, certains craignent que le lithium vienne à manquer car les sites où il est facile à extraire sont rares (Plus de 75% le la production vient des "salars" d'Amérique du Sud (Chili et Argentine essentiellement). Des réserves connues existent aussi en Bolivie dans le salar de Uyuni, mais si la demande augmente rapidement, le coûts du lithium pourrait augmenter et influer sur le coût de ces batteries.

Recherche

En Allemagne, le 5 mai 2009, l'Université technique de Freiberg (Bergakademie Freiberg) a lancé une initiative « Lithium-Initiative Freiberg  » associant 5 universités et des partenaires industriels dans un pôle de compétence pour les batteries lithium-ion plus sûres et efficience énergétique efficientes pour l'industrie automobile. Une partie du projet vise en amont de la filière a améliorer les capacités extractives de lithium, en association avec l'Université de Potosi (proche du salar de 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[13].

Recyclage des métaux

Le groupe japonaise Nippon Mining & Metals a annoncé en 2009 qu'il allait, avec l'aide du METI (Ministère de l'Economie, du Commerce et de l'Industrie) 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 [14].

Notes et références

  1. a , b  et c Panasonic - Technologie LiIon [pdf]
  2. Jean-Baptiste Waldner, Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIe siècle, Hermes Science, Londres, 2007, p190 p. (ISBN 2746215160) 
  3. W & B van Schalkwijk & Scrosati, Advances in Lithium-Ion Batteries, Kluwer Academic Publishers, 2002 (ISBN 0306475081) 
  4. (en) saftbatteries.com, Communiqué de presse. [pdf]
  5. Nokia, remplacement des batteries BL-5C.
  6. Fujitsu-Siemens, programme d'échange de batterie.
  7. Keith Bradsher, China Vies to Be World’s Leader in Electric Cars, New York Times, 1er avril 2009
  8. http://www.batteriesdigest.com/lithium_air.htm
  9. (en) Valence Technology, Inc., Saphion Technology.
  10. Re-engineered battery material could lead to rapid recharging of many devices
  11. communiqué relatif à cette batterie Lithium-phosphate
  12. Batscap - La batterie lithium métal polymère
  13. Communiqué de presse, Technische Universität Bergakademie Freiberg - 05/05/2009
  14. Source : [BE Japon numéro 514 (18/09/2009) - Ambassade de France au Japon / ADIT]

Voir aussi

Liens externes

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