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Accumulateur lithium

Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériaux qui pose des problèmes de sécurité), et la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) lithium ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...), 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.

Les accumulateurs lithium polymère remplacent souvent les accumulateurs lithium-ion, ils délivrent un peu moins d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), mais sont beaucoup plus sûrs.

La durée de vie (La vie est le nom donné :) de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication, indépendamment du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de cycles de charges.

Batteries specifications
Énergie/Poids 160 Wh/Kg
Énergie/Volume 270 Wh/L
Rendement charge-décharge 99.9 %
Énergie/Prix publique Wh/?
Auto-décharge 5% à 10% /mois
Durée de vie 24 à 36 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.)
Nombre de cycle de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) 1200 cycles
Tension (La tension est une force d'extension.) nominale 3.6 ou 3.7 V

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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) d'énergie spécifique et volumique élevée (4 à 5 fois plus que le Ni-MH par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire (L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique affectant les performances des accumulateurs électriques.) (aucun ou presque). 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.

La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne...) de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) de transition lithié et une électrode négative en graphite. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange....) de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.

La tension d?un élément Li-Ion est de 3,6 V. 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 (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1,...) 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 (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation...) 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 2 ou 3 ans après fabrication.

Notons cependant qu'il existe des accumulateurs Li-Ion industriels de grande puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (plusieurs centaines de watts par élément) qui ne sont pas touchés par ce vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un...), grâce à une chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) plus travaillée et une gestion électronique poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.). Ces éléments peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des...) hybrides, systèmes de secours). Cependant l'utilisation de la technologie Li-Ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.

Le lithium commence à apparaître sous de nouvelles versions: Le lithium-ion polymère (Li-po, encore très chère cette version peut être très fine et prendre toutes les formes), et le lithium-phosphate (qui possède une sécurité améliorée pour un coût plus faible). Deux technologies à suivre...

Avantages des accumulateurs lithium-ion

  • Ne présente aucun Effet mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) contrairement aux accumulateurs à base de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.)
  • Ne nécessite pas de maintenance
  • Présente une faible auto-décharge (10% / mois)
  • Possède une haute densité d'énergie pour un poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la...) 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.
  • Permet une meilleure sécurité que les batteries purement lithium, mais nécessite toujours un circuit de protection.

Faiblesses des accumulateurs lithium-ion

  • La profondeur de décharge : ces batteries s'usent moins vite lorsqu'elles sont rechargées tous les 10% que lorsqu'elles le sont tous les 80% (préférez donc charger souvent votre téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.) portable à batterie lithium)
  • Cette technologie s'use même quand on ne s'en sert pas (corrosion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...) et augmentation de la résistance interne d'où une durée de vie de 2-3 ans)
  • 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) peut présenter des dangers si une fuite se produit et que celui-ci entre en contact avec de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) ou de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.)
  • 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 des accumulateurs lithium-ion avec un extrême précaution, ces batteries peuvent être explosives. Faites particulièrement attention lors de la charge de la batterie : utilisez toujours le chargeur qui est fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus...) avec. Et comme avec tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) accumulateur : Ne mettez jamais en court-circuit l'accumulateur, n'inversez pas les polarités, ne surchargez pas et ne percez pas le boîtier.

Pour éviter les problèmes, ces batteries sont généralement équipées d'un circuit de protection, d'un fusible (Fusible signifie « qui peut fondre » : voir Fusion (physique).) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts...) et d'une soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande .) de décharge. Elle doivent être chargées en respectant des paramètres très précis et ne jamais être déchargées en-dessous de 2,5 V par élément.

Prolonger la vie d'une batterie du 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) ambiante (beaucoup de constructeurs stockent les batteries 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 faites pas de stock de batteries de rechange
  • Lors de l'achat de la batterie, vérifier la date de fabrication, son usure commence dès sa sortie d'usine.

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 une chimie semblable aux batteries Li-ion et a des caractéristiques proches mais possèdent tout de même quelques différences.

Avantages des Li-Po/Li-ion

  • 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 l'enveloppe de métal lourde)
  • Plus sûre que les Li-Ion (plus résistante à la surcharge et aux fuites d'électrolytes)
  • Plus de cycles de vie

Faiblesse des Li-Po/Li-ion

  • Densité énergétique plus faible que les Li-ion
  • Plus cher que le Li-ion (pour le moment)
  • Charge soumise a des règles strictes sous peine de risque d'inflammation (Une inflammation est une réaction de défense immunitaire stéréotypée du corps à une agression : infection, brûlure, allergie…).

Utilisation

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

Leur tension vont de 6 V à plus de 10 V en fonction de la taille de l'aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs : l'aérostat et l'aérodyne. ...).

Lithium-air

La pile lithium-air met en ?uvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (jusqu'à 5000 Wh/kg). 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 (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée à 12...) et aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). 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 (100 W/kg). 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) reste donc très active dans ce domaine.

Lithium-phosphate

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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utilisés à la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne négative du...), qui contient du cobalt et/ou du nickel, métaux très chers.

Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (Un véhicule électrique est un véhicule dont la propulsion est assurée par un moteur fonctionnant exclusivement à l’énergie électrique, à la différence des véhicules hybrides, disposant...) (contenant de l'ordre de 30kWh de batteries), une baisse de prix est impérative. Le coût d'une batterie Li-ion standard et en effet de plus de 1000? / kWh et devrait être abaissé sous 500? / kWh pour atteindre ce marché.

Dans une batterie Lithium à technologie phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque d'une base par de l'acide phosphorique.), les cathodes standard (LiCoxNiyAlzO2) sont remplacées par le phosphate de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans...) LiFePO4, matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) 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 relache pas d'oxygène (responsable des explosions et feux de batteries Li-ion) la rendant plus sûre.

Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie à long terme à des températures élevées, car il semblerait que la dissolution du fer (favorisé par la température) nuise à la cyclabilité de cette batterie.

On peut trouver plus d'informations auprès du fabricant (en).

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 micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (un millionième de mètre), est composé de 5 couches :

  • Isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les...).
  • 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 de d'oxyde de vanadium, de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 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 (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) (~40 Wh/kg) à poids égale car la structure en film mince est légère et maximise la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de stockage utile d'énergie.

Il n'y a pas d'effet mémoire, on n'a donc pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) de vider complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur...) l'accumulateur avant de la recharger.

Durée de vie annoncée de l'ordre de 10 ans.

Pour un fonctionnement optimal, l'électrolyte a besoin d'être maintenu à une température autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) de 85°C.

Avantages

Il n'y a aucun liquide dans ce genre d'accumulateur. Faible auto-décharge. Mais faibles puissances, et contrainte de fonctionnement à température élevée.

Pas de polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions (potentialisation),...) majeur dans la composition de l'accumulateur (sauf si utilisation d'oxyde de vanadium).

Disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on obtient en divisant la durée durant laquelle...)

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), BatScap est désormais la seule société au monde (Le mot monde peut désigner :) à développer cette technologie, en prévision d'une implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) sur le véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) électrique du groupe : la BlueCar.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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