Accumulateur lithium

Accumulateur lithium
Caractéristiques
Énergie/Poids	100-200 Wh/kg
Énergie/Volume	200-400 Wh/ℓ
Rendement charge-décharge	99 9 %
Auto-décharge	5 % à 10 % par 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

Un accumulateur lithium est un accumulateur électrochimique dont la réaction est basée sur le lithium.

Il existe deux sortes d'accumulateur lithium : l'accumulateur lithium métal, où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité), et l'accumulateur 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 accumulateurs, les accumulateurs lithium 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 lithium ion. Ceci explique la profusion de variantes existantes, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales à propos de cet accumulateur, 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 XXI siècle, cet accumulateur est celui qui offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume).

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). 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 .

L'électrolyte est un polymère gélifié. La batterie Li-Po utilise un principe de fonctionnement semblable aux batteries Li-ion et a des caractéristiques proches.

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. C'est également grâce à cette technologie que, le 7 avril 2010, le Solar Impulse (un prototype suisse d'avion solaire), a effectué avec brio son premier vol d'essai au départ d'une base aérienne située en Suisse.

La tension d'un élément Li-Po est de 3,7 V. Plusieurs éléments sont généralement assemblés en « Packs ». Les tensions sont alors additionnées dans le cas d'un assemblage en série (3,7 V; 7,4 V; 11,1 V; 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.

La pile lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (typiquement entre 1 700et 2 400 Wh/kg en pratique pour un chiffre théorique de 5 000 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 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.

Cette version, plus récente, a une tension un peu plus faible (_{3,3 V) 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 technique phosphate, les cathodes standard (LiC**o}x_N**iy_A**lz_O2_{) sont remplacées par le phosphate de fer LiFeP**O}4~, 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 devra 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 techniques li-ion et, à long terme de leur tenue 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 a mis au point, en mars 2009, un procédé permettant de doper considérablement la vitesse de charge des batteries lithium-ion que l'on retrouve dans la plupart de nos appareils high-tech. Dès 2009 en Europe, une petite voiture entièrement électrique devrait rouler avec cette batterie dont le temps de charge est bien plus court que les batteries antérieures.

Les batteries LMP étaient en développement chez deux sociétés : Batscap (Ergué-Gabéric, France) et Avestor (Boucherville, Québec). Cette dernière a 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.

Elle se présente sous la forme d'un film mince enroulé. Ce film, d'une épaisseur de l'ordre d'une centaine de micromètres, est composé de 5 couches :

• Isolant
• Anode : feuillard de lithium
• Électrolyte : 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 technique 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.

La SCiB (Super Charge ion Battery) est le nom commercial d'un type de batterie développé par Toshiba.

À l'avenir, certains craignent que le lithium bon marché vienne à manquer car, s'il est très abondant sur Terre, les sites où il est facile (et donc peu coûteux) à extraire sont rares. Plus de 75% de la production vient des "salars" d'Amérique du Sud (Chili et Argentine essentiellement ; la décision de faire entrer en production le salar de Uyuni en Bolivie a été prise en mars 2008). Une augmentation des coûts du lithium aurait un impact sur le coût des batteries et mettrait en danger son application au véhicule électrique.

Recyclage des métaux

Le groupe japonais 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 .

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 concernant les batteries lithium-ion plus sûres et efficientes pour l'industrie automobile. Une partie du projet vise en amont de la filière a améliorer les conditions d'extraction du 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.