Généralités sur les sources électriques hybrides
1.4. Batteries électrochimiques 1. Généralités
1.4.3. Différentes technologies
1.4.3.2. Batteries Lithium-Ion
Ces batteries font partie des nouveaux types de batteries apparus depuis une vingtaine d’année et qui se sont avérés fort prometteurs. Leurs énergie et puissance massiques sont élevées par comparaison aux batteries au plomb, respectivement 150 Wh.kg-1 et 300 W.kg-1. Le lithium est en effet le plus léger des métaux et possède un potentiel électrochimique élevé, ce qui en fait le métal le plus attractif pour constituer l'électrode négative d'un accumulateur [Rou00].
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L'électrolyte est constitué d'une solution organique ou d'un polymère solide. La grande légèreté de ce métal autorise l'obtention de densités énergétiques élevées et une densité de puissance importante. Aujourd'hui, cette technologie est considérée comme extrêmement prometteuse et fait l'objet de recherches intensives. Les problèmes de sécurité, liés à des risques d’inflammation des éléments, fréquemment évoqués sont en passe d'être résolus [Bou09].
1.4.3.2.1. Principe
[Sai04, Mos00]Il existe deux types de batterie au lithium. Les batteries Lithium-Carbone ou Lithium-Ion et les batteries Lithium-Métal. Dans ces batteries c’est l’électrode négative qui diffère selon que l’on utilise une électrode de lithium métallique ou de carbone.
Le principe de la décharge représenté sur la figure 1.25 est légèrement différent à l’anode selon le type de batterie. Dans un cas, c’est le matériau lithium qui libère les électrons et les ions qui pour les premiers vont à la cathode par le circuit extérieur et pour les seconds à travers l’électrolyte. Dans l’autre cas, le matériau d’insertion libère les ions et les électrons. Par contre, à la cathode, les réactions sont identiques. Lors de la décharge de la batterie, le lithium relâché par la cathode sous forme ionique Li+ migre à travers l’électrolyte conducteur ionique et vient s'intercaler dans le réseau cristallin du matériau actif de l'électrode positive.
[ ]Y +xLi++xe−→[LixY]
− ++ →xLi xe xLi
Figure 1.25. Principe de fonctionnement des batteries au Lithium [Sai04].
1.4.3.2.2. Eléments technologiques
L'électrode positive composée de structures en couches est constituée d'un oxyde du type LiMO2 (M pour métal) pour les accumulateurs Lithium-Ion. Actuellement les trois oxydes cités sont LiCoO2, LiNiO2 et LiMn2O4. Les deux derniers sont les plus utilisés en raison de leur coût et de leur plus faible toxicité que l’oxyde de cobalt. Pour des accumulateurs "Lithium-Métal", ce sont l’oxyde de vanadium, l’oxyde de manganèse ou des polymères conducteurs qui sont utilisés [Tou00, Sai04].
L’électrode négative est réalisée en composés carbonés : graphite, carbones hydrogénés, carbones durs, oxydes mixtes de vanadium amorphes, oxydes mixtes à base d’étain ou de titane. Elle sert de matériau d’insertion, elle n’est donc pas modifiée lors de la réaction.
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Les polymères sont utilisés de longue date comme séparateurs dans les batteries car ils permettent de rapprocher les électrodes tout en évitant les courts-circuits. L’épaisseur d'électrolyte permet de limiter la chute ohmique. Dans ce cas, le matériau polymère a une fonction essentiellement mécanique et est électrochimiquement passif. Outre ces propriétés mécaniques, il doit également présenter une bonne stabilité chimique, électrochimique et thermique. Certaines entreprises considèrent que les séparateurs microporeux continueront à être utilisés dans des batteries de forte capacité comme les batteries pour les véhicules électriques hybride. Mais actuellement ces séparateurs sont très chers [Tou00].
L'électrolyte est une solution de LiPF6 dans un mélange de solvants organiques. Il se trouve sous forme liquide ou solide (polymère sec, polymère gélifié ou composé organique vitreux). Sa nature fixe la tension maximale d’utilisation de l’accumulateur. Pour un polymère sec, la tension maximale ne peut excéder 3,5 V, alors qu’elle peut atteindre 4,8 V pour un liquide ou un gel. De plus, le transport des ions ne modifiant pas l'électrolyte, la résistance interne est pratiquement indépendante de l'état de charge et ne varie notablement qu'avec la température [Sat01].
Les performances de cet accumulateur sont bien meilleures que celle d’un accumulateur au plomb. Mais son prix est beaucoup plus élevé et sa mise en œuvre pose encore plusieurs problèmes, particulièrement pour exploiter la modularité. En effet, une surcharge peut causer un emballement thermique et une destruction de l’enceinte totalement étanche de l’accumulateur. Or le lithium étant très réactif avec l’eau, cette rupture peut avoir des conséquences catastrophiques (explosion !). Dans le cas d’une mise en série, il est donc fortement recommandé de contrôler la tension de chaque cellule élémentaire de façon précise [Sai04].
Le domaine de température d’utilisation dépend de la stabilité et de la conductivité de l’électrolyte typiquement autour de la température ambiante, exception faite des polymères secs qui n’ont une conductivité suffisante qu’autour de 60°C.
Par ailleurs, la tension varie de manière assez linéaire avec la profondeur de décharge et est relativement peu influencée par la température ainsi que la puissance de décharge. Cette caractéristique peut être mise à profit pour l'estimation de l'état de charge.
Ces batteries sont encore sujettes à bien des améliorations et on pense pouvoir porter leur énergie massique à une valeur de 170 Wh/kg dans les prochaines années.
1.4.3.2.3. Avantages et inconvénients des batteries Li-Ion
[Urb09, Bou10] Grâce aux propriétés physiques du lithium, les batteries Li-Ion ont une haute densité d’énergie (> 120 Wh.kg-1). Ce type de batteries est donc très utilisé dans le domaine des systèmes électriques hybrides. Les batteries Li-Ion ont les autres avantages suivants :tension de fonctionnement élevée (> 3,5 V) permettant la réduction du nombre d’éléments pour une tension donnée ;
énergie volumique élevée (> 250 Wh.l-1) conduisant à une réduction du poids pour une puissance donnée ;
faible autodécharge, les batteries Li-Ion ont une aptitude au stockage bien meilleure grâce à leur très faible autodécharge ;
large plage d’utilisation en température, ce type de batterie a une plage de
température de fonctionnement importante (de -30 °C à 60 °C) ;
31 sources d’énergie ;
longue durée de vie en cyclage : la durée de vie de ce type de batterie est élevée (> 1000 cycles).
L’inconvénient majeur des batteries Li-Ion apparaît lors de leur fabrication. La réactivité du lithium, de l’oxygène et de l’azote en présence d’eau est telle qu’il est nécessaire de les fabriquer dans des conditions adaptées afin d’obtenir les performances voulues. Notamment, leur fabrication en salle sèche est presque obligatoire. Cette contrainte conduit à des investissements bien supérieurs à ceux effectués pour des batteries au plomb. Par contre, l’accroissement des volumes fabriqués tant à réduire les coûts.