Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article est dédié aux accumulateurs dits à haute température, de conception assez récente : sodium-soufre, anode de lithium, « zebra ». Ces dispositifs nécessitent un maintien en température largement au-dessus de la température ambiante, typiquement dans la fourchette 300 à 400 °C. La présence d’un liquide, soit électrode liquide, soit électrolyte secondaire liquide intercalé entre la céramique et l’électrode solide, est alors nécessaire pour conférer à la céramique une conductivité ionique suffisante.
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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
Les avantages du lithium en tant que matériau d’anode ont été abordés dans la présentation du dossier [D 3 354] « Accumulateurs au lithium ». Ces considérations concernent également le sodium dont le potentiel standard d’électrode est bas (– 2,714 V/ENH, tableau 1 du dossier [D 3 351] « Considérations théoriques ») et la masse volumique faible (0,97
). Enfin, la température de fusion du sodium (98 ˚C) est inférieure à celle du lithium (180,5 ˚C). Il apparaît donc que ces deux métaux sont, a priori, d’intérêt à peu près comparable. La promotion du sodium résulte de la découverte de céramiques inertes vis-à-vis de cet alcalin, autorisant la circulation de l’ion sodium. Ces céramiques sont communément appelées alumine
.
On sait que les métaux alcalins réagissent violemment avec l’eau, si bien que s’impose l’emploi d’électrolytes non aqueux. Deux solutions sont aujourd’hui mises en œuvre, soit un milieu liquide constitué de sels fondus, soit, dans le cas du sodium, un milieu solide du type alumine β. En toutes circonstances, la température de l’accumulateur doit être maintenue largement au-dessus de la température ambiante, typiquement dans la fourchette 300 à 400 ˚C, qu’il s’agisse d’atteindre la zone de fusion des sels ou de conférer à la céramique une conductivité ionique suffisante. Dans ce dernier cas, le contact entre le matériau d’électrode et la céramique impose la présence d’un liquide. Il faut donc soit, un matériau d’électrode liquide, soit un électrolyte « secondaire » liquide intercalé entre la céramique et l’électrode solide. Les accumulateurs réalisés selon ces principes, appelés « accumulateurs (à) haute température », sont de conception récente. Les travaux relatifs à certains d’entre eux n’ont pas été poursuivis devant l’ampleur des difficultés rencontrées.
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Accumulateur sodium-soufre2. Accumulateurs (lithium-aluminium)-sulfure de fer
Le couple lithium-soufre demeure attrayant du fait de son énergie spécifique élevée. Les difficultés qui lui ont inhérentes ont été largement aplanies en mettant en œuvre, à l’anode, un alliage de lithium et, à la cathode, un sulfure de métal de transition, l’objectif principal étant de disposer de deux électrodes solides encadrant un sel fondu. Il en est, bien entendu, résulté une diminution de l’énergie spécifique par rapport au couple Li/S. Les alliages de lithium et d’aluminium, ou de silicium, élaborés sous la forme d’une structure solide poreuse, se sont révélés des matériaux négatifs réversibles sur le plan électrochimique, tandis que parmi les sulfures des métaux de transition, ceux de fer, FeS et FeS2 conduisent à des performances intéressantes, aussi bien sur le plan technique qu’en terme de prix. La cellule la plus simple est décrite par la formule :
Le processus électrochimique peut formellement s’écrire :
mais il est, dans les faits, plus complexe et non complètement élucidé. La température de fonctionnement, imposée par l’électrolyte, se situe dans la fourchette 425 à 450 ˚C. La fem de la cellule est alors 1,33 V, l’énergie spécifique théorique, 460 Wh/kg et l’énergie spécifique pratique 130 Wh/kg. Ces performances sont insuffisantes pour que le système (Li-Al)-FeS équipe un véhicule électrique, finalité annoncée de cette filière.
Le composé FeS2 conduit à de meilleures résultats. La cellule est décrite par la formule :
Comme dans le cas du couple (Li-Al)-FeS, les processus réels de charge-décharge demeurent mal connus et les réactions ci-dessous n’ont qu’un caractère global :
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Accumulateurs (lithium-aluminium)-sulfure de fer
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - Pour faciliter la recherche des documents cités, les références bibliographiques concernent, pour l’essentiel, le « Journal of power sources » (J. Power Sources), le « Journal of the Electrochemical Society » (J. Electrochem. Soc.) et les actes du Colloque Gaston Planté 2000 (Paris, 30-31 octobre 2000). L’éditeur du « Journal of power sources » est Elsevier (Amsterdam), son adresse électronique est la suivante : http://www.sciencedirect.com/science/ journal/03787753. L’éditeur du « Journal of the Electrochemical Society » est l’« Electrochemical Society » (New York). Le colloque Gaston Planté 2000 a été organisé conjointement par la Société française de chimie (250 rue Saint Jacques, 75005 Paris) et la Société française de thermique. Quelques travaux de thèse sont également cités. Les bibliothèques universitaires détiennent les mémoires originaux.
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(2) - VINCENT (C.A.), SCROSATI (B.) - Modern Batteries - (Piles et accumulateurs modernes). p. 340 ; 1997 John Wiley and Sons Inc., NY.
-
(3) - LINDEN (D.) - Handbook of Batteries - (Traité sur les piles et accumulateurs). p. 1149 ; 1994 MacGraw Hill Inc., NY.
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(4) - ATKINS (P.W.) - Éléments...
ANNEXES
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