Fonctionnement des batteries lithium

Fonctionnement des batteries lithium

Batteries lithium-ion

De l'énergie pour démarrer, c'est la promesse que les batteries délivrent. Ils nous donnent toute la commodité de l'électricité sous une forme pratique et portable. Le seul problème, c'est que la plupart des batteries se déchargent très rapidement et, à moins d'utiliser un chargeur spécialisé, vous devez alors les jeter. C'est dur pour votre poche et mauvais pour l'environnement : dans le monde entier, nous jetons des milliards de piles jetables chaque année. Les piles rechargeables aident à résoudre ce problème et la meilleure façon d'utiliser une technologie appelée lithium ion. Votre téléphone cellulaire, votre ordinateur portable et votre lecteur MP3 utilisent probablement tous des piles au lithium-ion. Ils sont largement utilisés depuis 1991 environ, mais la chimie de base a été découverte par le chimiste américain Gilbert Lewis (1875-1946) en 1912. Regardons de plus près comment ils fonctionnent !

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Le problème avec les batteries ordinaires

Si vous avez lu notre article principal sur les batteries, vous saurez qu'une batterie est essentiellement une expérience chimique qui se déroule dans une petite boîte métallique. Connectez les deux extrémités d'une batterie à une lampe de poche et les réactions chimiques commencent : les produits chimiques à l'intérieur de la batterie se décomposent lentement mais systématiquement et s'assemblent pour produire d'autres produits chimiques, produisant un flux de particules chargées positivement appelées ions et électrons chargés négativement. Les ions se déplacent dans la batterie ; les électrons passent par le circuit auquel la batterie est connectée, fournissant l'énergie électrique qui alimente la lampe de poche. Le seul problème est que cette réaction chimique ne peut se produire qu'une seule fois et dans une seule direction : c'est pourquoi les piles ordinaires ne peuvent généralement pas être rechargées.

Illustration conceptuelle d'une batterie basculée et vidant de l'énergie électrique

batterie

Œuvres d'art : Les piles ordinaires, telles que les piles zinc-carbone et les piles alcalines, ne peuvent pas être rechargées car les réactions chimiques qui génèrent l'énergie ne sont pas réversibles. Une fois qu'ils sont vides d'énergie électrique, il n'y a pas de moyen facile de les remplir à nouveau.

Batteries rechargeables = réactions réversibles

Différents produits chimiques sont utilisés dans les batteries rechargeables et ils se séparent par des réactions totalement différentes. La grande différence est que les réactions chimiques dans une batterie rechargeable sont réversibles : lorsque la batterie se décharge, les réactions vont dans un sens et la batterie délivre de l'énergie ; lorsque la batterie se recharge, les réactions vont dans le sens inverse et la batterie absorbe de l'énergie. Ces réactions chimiques peuvent se produire des centaines de fois dans les deux sens, de sorte qu'une batterie rechargeable vous donnera généralement entre deux ou trois et jusqu'à 10 ans de vie utile (selon la fréquence à laquelle vous l'utilisez et l'entretien que vous en prenez).

 

Fonctionnement des batteries lithium-ion

Batterie lithium-ion pour ordinateur portable.

Batterie portable

Photo : Une batterie au lithium-ion, comme celle-ci d'un ordinateur portable, est fabriquée à partir d'un certain nombre d'unités de production d'énergie appelées cellules. Chaque cellule produit environ 3-4 volts, donc une batterie au lithium-ion qui produit 10-16 volts a généralement besoin de trois à quatre cellules. Cette batterie d'une tension nominale de 10,8 volts contient trois cellules.

Batterie lithium-ion pour ordinateur portable.

batterie environement

Photo : Les batteries au lithium-ion (Li-ion) sont moins dommageables pour l'environnement que les batteries contenant des métaux lourds tels que le cadmium et le mercure, mais leur recyclage est de loin préférable à leur incinération ou leur mise en décharge.

Comme toute autre batterie, une batterie lithium-ion rechargeable est constituée d'un ou plusieurs compartiments générateurs d'énergie appelés cellules. Chaque cellule a essentiellement trois composants : une électrode positive (connectée à la borne positive ou + de la batterie), une électrode négative (connectée à la borne négative ou -), et un produit chimique appelé électrolyte entre eux. L'électrode positive est généralement fabriquée à partir d'un composé chimique appelé oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) ou, dans les batteries plus récentes, de phosphate de lithium-fer (LiFePO4). L'électrode négative est généralement en carbone (graphite) et l'électrolyte varie d'un type de batterie à l'autre, mais ce n'est pas très important pour comprendre le fonctionnement de base de la batterie.

Toutes les batteries lithium-ion fonctionnent à peu près de la même manière. Lorsque la batterie est en charge, l'électrode positive d'oxyde de lithium-cobalt abandonne une partie de ses ions lithium, qui se déplacent à travers l'électrolyte vers l'électrode négative en graphite et y restent. La batterie absorbe et stocke l'énergie pendant ce processus. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium reviennent à travers l'électrolyte vers l'électrode positive, produisant ainsi l'énergie qui alimente la batterie. Dans les deux cas, les électrons circulent dans la direction opposée aux ions autour du circuit extérieur. Les électrons ne traversent pas l'électrolyte : c'est effectivement une barrière isolante, en ce qui concerne les électrons.

Le mouvement des ions (à travers l'électrolyte) et des électrons (autour du circuit externe, dans la direction opposée) sont des processus interconnectés, et si l'un s'arrête, l'autre le fait. Si les ions cessent de se déplacer dans l'électrolyte parce que la batterie se décharge complètement, les électrons ne peuvent pas non plus se déplacer dans le circuit extérieur - vous perdez donc votre énergie. De même, si vous coupez l'alimentation de la batterie, le flux d'électrons s'arrête, tout comme le flux d'ions. La batterie cesse essentiellement de se décharger à un rythme élevé (mais elle continue à se décharger, à un rythme très lent, même lorsque l'appareil est débranché).

Contrairement aux batteries plus simples, les batteries lithium-ion sont dotées de contrôleurs électroniques intégrés qui régulent la façon dont elles se chargent et se déchargent. Ils empêchent la surcharge et la surchauffe qui peuvent provoquer l'explosion des batteries lithium-ion dans certaines circonstances.

 

Comment une batterie lithium-ion se charge et se décharge

Diagramme animé montrant comment une batterie au lithium-ion se charge et se décharge.

animation lithium

Animation : Charger et décharger une batterie lithium-ion.

Comme leur nom l'indique, les batteries au lithium-ion sont tout sur le mouvement des ions lithium : les ions se déplacent dans un sens lorsque la batterie se charge (lorsqu'elle est en train d'absorber de l'énergie) et dans l'autre lorsque la batterie se décharge (lorsqu'elle fournit l'énergie) :

Pendant la charge, les ions lithium (cercles jaunes) passent de l'électrode positive (rouge) à l'électrode négative (bleue) en passant par l'électrolyte (gris). Les électrons passent également de l'électrode positive à l'électrode négative, mais suivent le trajet le plus long autour du circuit extérieur. Les électrons et les ions se combinent à l'électrode négative et y déposent du lithium.

    Lorsque les ions ne circulent plus, la batterie est complètement chargée et prête à l'emploi.

    Pendant la décharge, les ions reviennent à travers l'électrolyte de l'électrode négative vers l'électrode positive. Les électrons passent de l'électrode négative à l'électrode positive par le circuit extérieur, alimentant ainsi votre ordinateur portable. Lorsque les ions et les électrons se combinent à l'électrode positive, le lithium s'y dépose.

Lorsque tous les ions sont revenus, la batterie est complètement déchargée et doit être rechargée.

 

Comment les ions lithium sont-ils stockés ?

Diagramme animé montrant comment les ions lithium migrent dans les deux sens dans une batterie lithium-ion.

lithimu decharge

Animation : Comment les ions lithium sont stockés dans l'électrode négative en graphite (à gauche) et l'électrode positive en oxyde de cobalt (à droite).

Cette deuxième animation montre ce qui se passe dans la batterie avec un peu plus de détails. Là encore, l'électrode négative en graphite (bleue) est représentée à gauche, l'électrode positive en oxyde de cobalt (rouge) à droite et les ions lithium sont représentés par des cercles jaunes. Lorsque la batterie est complètement chargée, tous les ions lithium sont stockés entre les couches de Graphene (feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur) dans l'électrode en graphite (ils se sont tous déplacés vers la gauche). Dans cet état de charge, la batterie est en fait un sandwich multicouche : des couches de Graphene alternent avec des couches d'ions lithium. Lorsque la batterie se décharge, les ions migrent de l'électrode en graphite vers l'électrode en oxyde de cobalt (de gauche à droite). Lorsqu'il est complètement déchargé, tous les ions lithium se sont déplacés vers l'électrode d'oxyde de cobalt sur la droite. Une fois de plus, les ions lithium se trouvent en couches, entre les couches d'ions cobalt (rouge) et les ions oxyde (bleu). Lorsque la batterie se charge et se décharge, les ions lithium se déplacent d'une électrode à l'autre.

 

Avantages des batteries lithium-ion

Généralement, les batteries lithium-ion sont plus fiables que les technologies plus anciennes comme le nickel-cadmium (NiCd, prononcé "nicad") et ne souffrent pas d'un problème appelé "effet mémoire" (où les batteries nicad semblent devenir plus difficiles à charger si elles ne sont pas complètement déchargées en premier). Comme les batteries au lithium-ion ne contiennent pas de cadmium (un métal lourd toxique), elles sont aussi (du moins en théorie) meilleures pour l'environnement, bien qu'il ne soit jamais bon de jeter les batteries (pleines de métaux, de plastiques et d'autres produits chimiques divers) dans les décharges. Comparées aux batteries rechargeables à usage intensif (comme les batteries au plomb-acide utilisées pour démarrer les voitures), les batteries lithium-ion sont relativement légères pour la quantité d'énergie qu'elles stockent.

Vue arrière de la voiture électrique Tesla Roadster. Photo par Steve Jurvetson. Vue latérale de la voiture Tesla Roadster montrant le compartiment à piles. Photo par Steve Jurvetson.

testla lithium

Photo : Des batteries lithium-ion légères sont utilisées dans un certain nombre de voitures électriques d'avant-garde, dont le pionnier Tesla Roadster. Il faut environ 3,5 heures pour charger ses 6 831 cellules lithium-ion, qui pèsent ensemble une demi-tonne (1 100 lb). Entièrement chargés, ils donnent à la voiture une autonomie de plus de 350 km (220 miles). Gauche : Vous pouvez voir le fil d'alimentation jaune qui charge les batteries. C'est vrai : Les batteries sont dans le grand compartiment que vous pouvez voir directement au-dessus de la roue arrière. Première photo : Tesla Inside ; Deuxième photo Shiny New Tesla. Les deux avec l'aimable autorisation de Steve Jurvetson, publié sur Flickr en 2007 sous une licence Creative Commons.

 

Inconvénients des batteries lithium-ion

Si nous nous intéressons aux inconvénients des batteries lithium-ion, il est important de garder à l'esprit avec quoi nous les comparons. En tant que source d'énergie pour les automobiles, nous devons vraiment les comparer non pas avec d'autres types de batteries, mais avec l'essence. Malgré des progrès considérables au fil des ans, kilo pour kilo, les batteries rechargeables ne stockent encore qu'une fraction de l'énergie du gaz ordinaire ; en d'autres termes, elles ont une densité énergétique beaucoup plus faible (elles stockent moins d'énergie par unité de poids). Cela explique aussi pourquoi il est possible de "recharger" complètement une voiture à essence en quelques minutes, alors qu'il faut généralement des heures pour recharger les batteries d'une voiture électrique. Il ne faut pas oublier que ces inconvénients sont compensés par d'autres avantages, tels que la plus grande économie de carburant des voitures électriques et leur relative absence de pollution de l'air (zéro émission de gaz d'échappement du véhicule lui-même).

Une batterie de téléphone portable au lithium-ion gonflée par le gaz emprisonné à l'intérieur.

inconveniens lithium

Photo : Les batteries au lithium-ion (Li-ion) peuvent se gonfler comme de petits coussins si elles n'ont pas un moyen d'évacuer les gaz produits pendant la charge (principalement le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone et l'hydrogène, bien que de petites quantités d'autres gaz organiques puissent également être présentes). Voici deux batteries identiques d'un téléphone portable, dont la batterie supérieure a presque doublé de largeur en raison des gaz emprisonnés à l'intérieur.

En laissant de côté les véhicules et en considérant les batteries lithium-ion de façon plus générale, quels sont les problèmes ? Le plus gros problème, c'est la sécurité : Les batteries Li-ion s'enflammeront si elles sont surchargées ou si un dysfonctionnement interne provoque un court-circuit ; dans les deux cas, les batteries se réchauffent dans ce que l'on appelle un "emballement thermique" et finissent par prendre feu ou exploser. Ce problème est résolu par un disjoncteur intégré, connu sous le nom de dispositif d'interruption de courant ou CID, qui coupe le courant de charge lorsque la tension atteint son maximum, si les batteries deviennent trop chaudes ou si leur pression interne augmente trop fortement. Mais des préoccupations subsistent et, en 2016, l'Organisation de l'aviation civile internationale a officiellement interdit les expéditions de batteries au lithium-ion dans les avions de passagers en raison du danger potentiel. Aujourd'hui, les risques liés à la sécurité des piles au lithium ont attiré beaucoup d'attention dans les médias, surtout lorsqu'elles ont provoqué des incendies dans des voitures électriques ou des avions, mais il vaut la peine de se rappeler le peu d'incidents qui se sont produits étant donné la fréquence de la technologie (vous trouverez des piles lithium-ion dans chaque téléphone cellulaire, ordinateur portable, tablette et la plupart des autres gadgets rechargeables modernes). Et, encore une fois, il est important de garder à l'esprit les risques des alternatives : oui, les batteries lithium-ion des voitures électriques peuvent prendre feu - mais les voitures à essence prennent feu beaucoup plus souvent... et provoquent de véritables explosions ! D'autres types de batteries peuvent également prendre feu et exploser en cas de surchauffe, donc le feu n'est pas un problème propre à la technologie lithium-ion.

 

Quelle est la solution ?

Une option prometteuse, actuellement mise au point par une société appelée Ionic Materials, consiste à utiliser des polymères ignifuges (plastiques solides) à la place des électrolytes liquides inflammables qui sont normalement utilisés dans les batteries lithium-ion. Une autre option, préférée par John Goodenough, le chimiste des batteries lithium-ion, est d'utiliser du verre "dopé" (traité pour le rendre électriquement conducteur) pour l'électrolyte. Le temps nous dira si l'une de ces options - ou quelque chose d'autre - fera basculer les batteries lithium-ion de leur place de technologie rechargeable préférée dans le monde.

Comment fonctionne un dispositif d'interruption de courant CID dans une batterie au lithium-ion.

CID lithium

Œuvres d'art : Une batterie lithium-ion est équipée d'un dispositif d'interruption de courant (CID) à l'intérieur pour empêcher la surchauffe de la batterie. Voici un exemple de la façon dont cela peut fonctionner. Les deux électrodes de batterie (vertes, 12 et 14) se trouvent à l'intérieur d'un boîtier (bleu clair, 22) avec un couvercle sur le dessus (bleu foncé, 24). L'une des électrodes (14) est reliée à sa borne supérieure (42) par l'intermédiaire du CID (28), qui est constitué de trois parties. Il y a deux disques conducteurs métalliques (rouges, 30 et 32) avec un isolant (violet, 34) entre eux. Normalement, les disques se touchent et permettent au courant de circuler de l'électrode à sa borne. Mais si la batterie surchauffe et que la pression s'accumule à l'intérieur, les disques sont écrasés et le courant ne circule plus. Tout excès de gaz s'échappe par de petites fentes (jaunes, 56) sur les côtés du boîtier. Oeuvre d'art du brevet américain 4,423,125 : Dispositif intégré d'interruption de courant pour cellules lithium-ion par Phillip Partin et al, Boston-Power, Inc, gracieuseté du US Patent and Trademark Office.

 

Qui a inventé les batteries lithium-ion ?

Dans les années 1970, le chimiste John Goodenough et ses collègues Phil Wiseman, Koichi Mizushima et Phil Jones ont mis au point à l'Université d'Oxford des batteries au lithium-ion pratiques et utiles. Leurs recherches ont été publiées en 1980 et sont devenues une technologie commerciale de Sony, qui a produit les premières batteries lithium-ion au début des années 1990. Depuis, ils sont devenus monnaie courante : environ 5 milliards sont fabriqués chaque année (selon un reportage Bloomberg de 2013), la plupart d'entre eux en Chine. Trois pionniers de la technologie des batteries lithium-ion, John Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino, se sont partagés le prix Nobel de chimie 2019 pour leurs travaux novateurs.

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