Accumulateur lithium

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Caractéristiques
Énergie/Poids	100-200^[1] Wh/Kg
Énergie/Volume	200-400^[1] Wh/L
Rendement charge-décharge	99,9 %
Énergie/Prix public
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 terme de durée de vie, de coût ou de puissance.

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

[modifier] 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 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 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.

[modifier] 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)
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.

[modifier] 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 %.
Sur les produits grand public, cette technologie s'use même quand on ne s'en sert pas (corrosion interne et augmentation de la résistance interne d'où une durée de vie de 2-3 ans.^{[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.

[modifier] 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.

[modifier] 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 possèdent tout de même quelques différences.

[modifier] 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.

[modifier] Faiblesse des Li-Po/Li-ion

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.

[modifier] Utilisation

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

Leurs tensions vont de 6 V à plus de 10 V en fonction de la taille de l'aéronef.

[modifier] Lithium-air

La pile lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (jusqu'à 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.

[modifier] Lithium-phosphate ^[5]

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 ( $L i C o x N i y A l z O 2$ ) sont remplacées par le phosphate de fer $L i F e P O 4$ , 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 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.

[modifier] 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^[6] :

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.

[modifier] 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.

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

Pour un fonctionnement optimal, l'électrolyte a besoin d'être maintenu à une température autour de 85 °C.

[modifier] Avantages

Il n'y a aucun liquide dans ce genre d'accumulateur.
Faible auto-décharge.
Mais faibles puissances, et contraintes de fonctionnement à température élevée.
Pas de polluant majeur dans la composition de l'accumulateur (sauf si utilisation d'oxyde de vanadium).

[modifier] 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.