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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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1. Présentation des accumulateurs au lithium
L’usage s’est établi, particulièrement dans le cas des accumulateurs au lithium, de désigner l’électrode positive par cathode et la négative par anode . On sait qu’une positive est alternativement cathode puis anode au cours d’un cycle constitué d’une décharge suivie d’une charge (cf. § 2.3 et figure 7 du chapitre Considérations théoriques ) et que la situation est inverse pour une négative. L’appellation d’usage se réfère donc au fonctionnement en décharge.
La sélection de matériaux d’anode et de cathode performants ne s’effectue évidemment pas au hasard. En premier lieu, les chercheurs prennent en considération le potentiel standard du matériau d’électrode et sa capacité massique. On sait que le potentiel standard d’électrode est négatif pour les corps réducteurs (matériaux d’anode) et positif pour les oxydants (matériaux de cathode). Afin d’obtenir un générateur de force électromotrice élevée, il faut associer un réducteur dont le potentiel standard est le plus bas possible à un oxydant dont le potentiel standard est le plus élevé possible. Les deux matériaux d’électrode ainsi sélectionnés doivent évidemment conduire à un engin réalisable, ce qui implique un examen au cas par cas, le problème étant de trouver un électrolyte adapté, c’est-à-dire inerte vis-à-vis des matériaux d’électrode. Dans cette situation, il résulte, de considérations développées au § 2.1 du , que l’enthalpie libre associée au processus d’oxydo-réduction mis en œuvre est élevée ainsi que (d’après les relations (4) et (5) du ) l’énergie électrique susceptible d’être récupérée. Cela étant, ces considérations sont relatives à des processus thermodynamiques réversibles et, à l’exception de la fem à vide, ne renseignent, que de façon approximative, sur les performances réelles du générateur. Une expression pratique de l’énergie fournie par un accumulateur doit, à la différence de la relation (5) du , faire appel à l’expérience pour conduire à des valeurs numériques. De même, la capacité spécifique, fréquemment massique, des matériaux d’électrodes, s’exprime également de façon distincte,...
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