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RÉSUMÉ
Cet article est consacré au système lithium-ion : intérêts, caractéristiques, points faibles et perspectives. Cette technologie permet des densités d’énergie élevées, d’où sa présence sur la marché des batteries portables, mais également des densités de puissance élevées, ce qui devrait lui assurer un rôle prépondérant dans le véhicule hybride et à terme un avenir florissant au sein de tous les générateurs électrochimiques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jack ROBERT : Professeur émérite à l’université Paris Sud XI
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Jean ALZIEU : Ingénieur-chercheur à Électricité de France
INTRODUCTION
Lensemble des considérations développées au paragraphe 1 ci-dessous désigne a priori le lithium comme l’un des tous premiers matériaux d’électrode. Cet élément présente un caractère réducteur particulièrement prononcé. Son potentiel, l’un des plus bas de ceux de tous les éléments (cf. tableau 1 du chapitre [D 3 351] « Considérations théoriques ») et plus généralement de ceux des matériaux d’anode connus, est égal à – 3,045 V/ENH. En associant le lithium à un oxydant, on peut disposer d’une énergie et d’une fem, supérieures à celles crées par la plupart des couples électrochimiques. En outre, la masse volumique du lithium (0,534 g/cm 3) est faible et, par voie de conséquence, sa capacité spécifique (3 860 Ah/kg) plus élevée que celle des matériaux d’anode en usage (par exemple : Cd, 477 Ah/kg). Dans les dossiers consacrés aux piles électriques du présent traité, l’auteur cite le couple lithium-fluor. Si l’on pouvait réaliser un générateur à l’aide de ces deux éléments, ce qui n’est pas le cas, celui-ci aurait une tension de l’ordre de 5,91 V et une énergie massique théorique de 6 106 Wh/kg. L’énergie massique pratique pourrait atteindre 1 500 à 2 000 Wh/kg. À titre de comparaison, pour un rendement de Carnot de 0,25, l’énergie massique pratique de l’essence est de 3 000 Wh/kg.
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- Version courante de nov. 2024 par Jolanta ŚWIATOWSKA, Domitille GIAUME
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2. Électrodes négatives
2.1 Électrodes négatives à base de lithium métallique
Les perspectives offertes, en termes de performances, par un accumulateur à anode de lithium sont, nous l’avons vu en introduction, particulièrement attrayantes. De ce fait, de nombreuses réalisations ont vu le jour. Mais le succès commercial n’a pas suivi parce que l’anode de lithium se heurte à deux difficultés majeures. La première doit être associée à la réactivité du lithium vis-à-vis de l’électrolyte et à l’évolution de sa structure au cours du cyclage. La seconde est relative à la formation de dendrites à travers l’électrolyte.
Durant la charge, le couche de lithium électrodéposée sur l’électrode n’est pas homogène, mais constituée de grains de métal qui lui confèrent une structure poreuse. Il se crée donc au cours de chaque charge des surfaces neuves de lithium métal. Ces dernières réagissent avec l’électrolyte avec formation d’un film de sel passivant. Ce processus se prolonge une fois le courant de charge interrompu. Les grains se recouvrent plus ou moins totalement d’une couche qui tend à les isoler du substrat de lithium. Il en résulte que certains d’entre eux se trouvent exclus de la procédure de décharge qui suit. Le phénomène est cumulatif, chaque charge engendrant un nouveau film de passivation, rendant ainsi inactive une nouvelle part de lithium métal. La capacité de l’électrode décroît rapidement, ce qui oblige, pour atteindre une durée de vie acceptable, à prévoir un excès de lithium qui peut atteindre 4 à 5 fois la quantité qui serait requise en l’absence de passivation.
Ces difficultés demeurent non résolues. Une solution alternative pourrait être de mettre en œuvre un électrolyte moins réactif vis-à-vis du lithium que les électrolytes organiques habituels 4, notamment un électrolyte polymère solide ...
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