Grandeurs et paramètres caractéristiques d’une pile au Li-ion:

Il existe plusieurs paramètres qui caractérisent les PLis à des niveaux d’importance différents. Certains sont dictés par le choix de matériaux électroactifs (c.-à-d. les cathodes et anodes) utilisés dans ces dernières tandis que d’autres sont liés à l’utilisation des PLis. Il importe aussi de dire que l’importance de chacun des paramètres dépend de l’utilisation des PLis. Dans le cadre de ce travail, seulement quelques paramètres fondamentaux sont jugés indispensables à la compréhension des résultats.

2.4.1

La force électromotrice:

La force électromotrice (FEM) d’une pile mesure la différence de potentiel entre ses deux électrodes. Elle est exprimée par rapport au couple Li+_{/Li comme référence}

(E0 _(Li+_{/Li) = -3.03 V vs. ENH). Comme c’est le cas du potentiel pour les cathodes, cette} FEM définit une des façons de classifier des PLis. Il est aussi fréquent d’appeler la FEM tension nominale (T) de la pile. Elle est donc déterminée par le choix des électrodes utilisés et dépend également de l’état de charge de la pile dans certains cas (où les courbes de cyclage sont sous forme de rampes). 44

2.4.2

La capacité:

La capacité (Q) d’une pile est la quantité de courant électrique produite, au cours de sa décharge, suite aux réactions d’oxydoréductions mises en jeu. Il possible d’évaluer une capacité pour chacune des électrodes. Elle est exprimée en ampère-heure (Ah) et dépend de la masse molaire du matériau électroactif, du nombre d’électrons échangé et des vitesses de décharge. La capacité de décharge n’est autre que la quantité de courant emmagasinée lors du processus la charge. Pour des fins pratiques, il est donc plus judicieux de parler de capacité délivrée à la décharge comme il s’agit du mode utilisation de la pile. Pour des études au laboratoire avec des petites piles, la capacité est en générale exprimée en mAh. De manière générale, il convient plutôt d’utiliser le mAh/g pour rapporter la capacité par unité de masse du matériau actif de l’électrode. 44 _{On parle donc de capacité spécifique. Pour un matériau} donné, la valeur théorique de la capacité peut être calculée en utilisant l’équation 2.4 ci- dessous:

𝐐 =

𝟑𝟔𝟎𝟎 𝐌𝐌 Éq. 2.4

Où x est la quantité de lithium insérée dans l’électrode, F est la constante de Faraday (F= 96485 C/mol) et MM est la masse molaire du matériau d’électrode en g/mol.

En pratique, cette valeur théorique n’est jamais atteinte. Pour certains matériaux, les valeurs expérimentale sont beaucoup plus proches des valeurs théoriques que pour d’autres. On parle donc de capacité réversible délivrée par une électrode donnée. Elle peut être contrôlée par la nature de l’électrode elle-même mais peut aussi être limitée par les conditions expérimentales imposées lors des processus de charge/décharge. En particulier, la capacité réversible diminue de façon très significative quand la vitesse de charge et/ou décharge augmente. Dans ce cas, l’insertion (ou la désinsertion) de la quantité Δx d’ions lithium dans l’électrode (ou de l’électrode) doit se faire au cours d’intervalles de temps de plus en plus courts. Comme la diffusion de l’ion Li+ _{est un facteur limitant dans ce processus, la quantité} Δx pratique est plus petite que sa valeur théorique. Ceci engendre, à la sortie, une valeur de la capacité en dessous de la valeur attendue. Il est donc plus prudent de rapporter une valeur de capacité spécifique pour une vitesse de décharge (ou de charge) donnée. On définit donc le régime de charge et de décharge.

2.4.3

Le régime de charge et de décharge:

Ce régime (C-rate) est un paramètre qui définit la condition expérimentale en matière de courant pour une charge et/ou une décharge. Il détermine le courant qu’il faut appliquer à la pile pour atteindre la capacité théorique dans un intervalle de temps donné. Cette dimension du temps compare ce paramètre, par abus de langage, à une vitesse (de charge et/ou de décharge). Le régime de charge (ou de décharge) est noté comme C/t. Où t définit le temps qui permet de compléter une charge (ou décharge) à courant constant. Par exemple, un régime permettant d’effectuer une charge en deux heures est noté C/2. Une décharge effectuée en 30 minutes (0.5 h) est donc notée comme 2C (c.-à-d. C/0.5). La Figure 2.23 illustre l’effet du régime de charge et de décharge sur la capacité délivrée à différents courants constants. Les plus grandes vitesses (courants importants) engendrent une chute de la

capacité, et ce pour tous les types d’électrodes. Il est possible que, pour un cyclage, le courant appliqué à la charge soit différent de celui appliqué à la décharge. 44

Figure 2.23 : Effet de la vitesse de charge-décharge sur la capacité spécifique d’une électrode.180

2.4.4

L’efficacité coulombique:

L’efficacité coulombique (Coulombic efficiency CE) caractérise la réversibilité des réactions d’oxydoréduction qui se produisent pendant la charge et la décharge pour chaque cycle. Elle est définie comme étant le rapport de la capacité de décharge (Qd) sur la capacité de charge (Qc); exprimée en pourcentage. 44

𝐂𝐄 =

2.4.5

L’énergie:

L’énergie d’une pile (W), exprimée en watt-heure (Wh) est le produit de sa capacité (Q) multipliée par sa tension nominale (T). Rapportée au volume ou à la masse du matériau actif de l’électrode, cette énergie est dite volumique en Wh/L ou massique en Wh/g, respectivement. 44

𝐖 = 𝐐 × 𝐓

2.4.6

La cyclabilité:

La cyclabilité est une façon de définir la durée de vie d’une pile. Elle donne le nombre de cycle charge-décharge effectué, par une pile, dans un régime de courant déterminé selon un critère da capacité donné. Par exemple, pour un critère de capacité de 90% de la capacité nominale, une pile a effectué 1000 cycles dans un régime de courant à C/10. En d’autres mots, cette pile a été cyclée (chargée-déchargée) 1000 fois, chaque cycle durant 20 heures (10 charge 10 en décharge), sans que sa capacité chute en dessous de 90% de sa capacité nominale. 44