Accumulateur lithium

Accumulateur lithium[1]
Accumulateur lithium de Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne
Caractéristiques
Énergie/Poids	100 à 200 Wh/kg
Énergie/Volume	200 à 400 Wh/ℓ
Rendement charge-décharge	90 %
Auto-décharge	1 % à 10 % par mois
Durée de vie	7 ans
Nombre de cycles de charge	1 200 cycles
Tension nominale par élément	3,6 ou 3,7 V
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Accumulateur lithium cylindrique avant la fermeture (18650)

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

Il existe deux sortes principales d'accumulateurs lithium : l'accumulateur lithium métal, où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité), et les accumulateurs 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.

Au début du XXI^e siècle, cet accumulateur est celui qui offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume)^[2].

Lithium-ion

La batterie lithium-ion fonctionne sur le principe de 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 .

Li-ion polymère (Li-Po)

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

Avantages des Li-Po

• Piles et batteries pouvant prendre des formes fines et variées (carte de crédit).
• Peut être déposée sur un support flexible.
• Faible poids (le Li-Po permet parfois d'éliminer la lourde enveloppe de métal).
• Plus sûrs que les Li-ion (plus résistants 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 accumulateurs lithium-polymère sont couramment utilisées pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits volants et à un certain nombre d'avions de loisir. Les sociétés YUNEEC (Chine) et ELECTRAVIA (France) utilisent depuis 2007 des batteries lithium-polymère industrielles de marque KOKAM pour faire voler leurs avions, ULM, motoplaneurs et paramoteurs. Les systèmes électroniques de surveillance (BMS et PCM) permettent de sécuriser l'emploi de ces batteries dans le domaine aéronautique. C'est également grâce à cette technologie que, le 7 avril 2010, le Solar Impulse, un prototype d'avion solaire, a effectué avec succès ses vols 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 (mesurées en mAh) des éléments sont additionnées 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

L'accumulateur lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (typiquement entre 1 700 et 2 400 Wh/kg en pratique pour un chiffre théorique de 5 000 Wh/kg^[3]). Cela est dû au fait d'une part que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans l'accumulateur (comme dans la plupart des piles et accumulateurs 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). Ces batteries ne sont pas encore commercialisées et nécessiteront encore des années de recherche en laboratoire^[4].

Lithium-phosphate

Cette version, 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 piles et batteries au 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 un accumulateur Lithium à technique phosphate, les cathodes standard (LiCo_xNi_yAl_zO₂) sont remplacées par le phosphate de fer LiFePO₄, matériau peu cher, car ne contenant pas de métaux rares, et de plus non toxiques contrairement au cobalt. En outre, cette cathode est très stable et ne relâche pas d'oxygène (responsable des explosions et feux des accumulateurs Li-ion) la rendant plus sûre.

Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de 30 kWh d'accumulateurs), une baisse de prix est impérative. Le coût d'un accumulateur Li-FePO est de plus de 1 000 €/kWh et devra être abaissé sous 500 €/kWh pour atteindre ce marché.
Certains fabriquants chinois proposent au 15/06/2011 des accumulateurs de 3.2V 16 Ah (soit 51 Wh) pour 21 $, soit 15 € (1.41 $/1 €), ce qui donne un prix du kWh à 300 € environ^{[réf. nécessaire]}. Attention, ce type de batteries requière l'utilisation de BMS (sécurités), le BMS rajoute environ 20% au prix.

Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie, amener leur capacité au niveau des autres techniques Li-ion et, à long terme améliorer leur tenue à des températures élevées : il semblerait que la dissolution du fer (favorisée par la température) nuise à la cyclabilité de ce type d'accumulateur.

Une équipe du MIT^[5] a mis au point, en mars 2009, un procédé permettant de doper considérablement la vitesse de charge des accumulateurs 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 cet accumulateur dont le temps de charge est bien plus court que les modèles antérieurs^[6].

Lithium Métal Polymère (LMP)

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^[7] :

• 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. Par 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 le 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.

Super Charge Ion Battery

La Super Charge ion Battery (SCiB) est une nouvelle forme d'accumulateur lithium développé par Toshiba.

Disponibilité du lithium

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'Économie, 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^[8].

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 à 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^[9].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Accumulateur électrique
• Batterie d'accumulateurs
• Lithium
• Batterie lithium-ion
• Pile électrique
• Pile au lithium
• Stockage d'énergie
• Supercondensateur

Liens externes

• (en) Site anglais très complet sur les batteries
• Pages Li-ion d'un portail français sur les batteries

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