Présentation et composition

Les batteries lithium-ion sont une des dernières générations de batteries commerciali-sées et les plus répandues et utilicommerciali-sées. Elles sont apparues après plusieurs autres généra-tions contenant différentes composigénéra-tions chimiques telles que le plomb Pb/Acide, le nickel cadmium Ni-Cd, le nickel métal hydrure NiMH... Les batteries lithium-ion sont actuellement les éléments de stockage d’énergie les plus fréquemment utilisés dans les différentes appli-cations portables ou nomades tels que pour les téléphones et les ordinateurs portables, les applications d’électromobilité comme dans les voitures électriques et hybrides ou les appli-cations stationnaires mettant en oeuvre des énergies renouvelables comme les champs de panneaux photovoltaïques ou les éoliennes, pour gérer l’intermittence énergétique.

La raison du déploiement à grande échelle de ces éléments est liée à leur densité d’éner-gie très élevée et leur densité de puissance suffisante qui permettent à la batterie de déli-vrer de l’énergie sur une durée suffisamment longue avec une durée de charge relativement courte, grâce aux matériaux utilisés et aux réactions chimiques faradiques internes

met-tant en jeu l’intercalation et la désintercalation des ions Li⁺. La figure 1.1 montre la position des différentes chimies des batteries sur le diagramme de Ragone représentant la densité massique de puissance en fonction de la densité massique d’énergie.

FIGURE1.1 – Positionnement sur un diagramme de Ragone des différents types de batteries et évolution de la distance parcourue par une voiture électrique par recharge [1]

La batterie lithium-ion est constituée d’une électrode négative et d’une électrode positive séparées par un séparateur, le tout baignant dans un électrolyte.

L’électrode négative peut être constituée de trois groupes de matériaux [20], un premier à base de matériaux d’intercalation, un deuxième utilisant des matériaux basés sur des réactions de conversion chimique et un dernier basé sur des matériaux qui peuvent faire un alliage avec le lithium.

Parmi ces trois groupes, c’est le premier qui est largement répandu dans les batteries commercialisées, et le matériau généralement utilisé est le graphite prédopé en ions lithium. Le graphite permet une intercalation/ désintercalation réversible et rapide des ions Li⁺ ce qui lui confère une grande capacité de stockage. L’équation qui régit cette réaction est décrite par l’équation (1.1).

Li_xC₆ −−−−−*₎₋₋₋₋₋^Décharge

Charge 6 C + xLi⁺+ xe⁻ (1.1) L’électrode positive de la batterie lithium-ion est généralement composée d’un matériau à insertion d’ions ayant un réseau cristallin stable [20] permettant l’insertion des ions lithium et contenant un mélange de matériaux. Les trois grandes familles de matériaux utilisés sont [20] les chalcogénures tels que TiO2, les oxydes métalliques de transition tels que le LiCo, LiMO2, NMC, LiMn2O2... et les composants polyanions tels que le LiFePO4. Actuellement, les oxydes métalliques sont les matériaux les plus utilisés dans les équipements portables, spécifiquement le LiCoO2. Or, malgré la grande capacité théorique de ce type de matériaux, leur capacité utilisable est bien plus faible, car une grande partie est consommée par la transition de phase du matériau lors de la décharge [20]. Pour éviter cette perte de capacité, les batteries avec les polyanions comme le LiFePO4 sont de plus en plus utilisées. Des tests [21] ont aussi permis de prouver que les batteries avec une électrode positive en LiFePO4 (LFP) sont bien plus résistantes face à l’emballement thermique que celles avec une électrode en LiCoO2, prise comme exemple pour les tests. En effet, la liaison atomique forte entre le phosphore et l’oxygène sur la surface active inhibe le dégagement de l’oxygène [22], rendant ainsi l’électrode plus stable surtout dans des conditions environnementales difficiles. Dans le cas d’une électrode positive en LiFePO4, l’équation qui régit l’électrode est décrite par (1.2).

Li_1−xFePO₄+ xLi⁺+ xe⁻ −−−−−*₎₋₋₋₋₋^Décharge

Charge LiFePO₄ (1.2) Les équations (1.1) et (1.2) ont lieu simultanément à chaque instant, avec à chaque fois un ion lithium qui quitte une électrode et migre vers l’électrolyte, et un autre ion s’intercale dans la deuxième électrode en provenance de l’électrolyte. D’un autre côté, lorsqu’un ion lithium est désintercalé, un électron est libéré et transféré dans le circuit extérieur. Ce cycle se passe en charge et en décharge, seul le rôle de chaque électrode change à chaque fois, et bascule entre oxydation et réduction. L’équation générale (1.3) dans ce type de batterie

est alors décrite par la somme des deux demi-équations (1.1) et (1.2).

Li_xC₆+ Li_1−xFePO₄ −−−−−*₎₋₋₋₋₋^Décharge

Charge LiFePO₄+ 6 C (1.3) L’électrolyte de la batterie est composé d’un mélange de solvants organiques, contenant différents carbonates d’alkyle tels que le carbonate d’éthyle EC, le carbonate de diméthyle DMC, le carbonate d’éthylméthyle EMC. . . Dans ce solvant est dissout un sel de lithium, généralement le LiPF6. Des recherches sont toujours en cours afin de trouver des additifs pour améliorer les caractéristiques de l’électrolyte [23, 24] mais la composition chimique reste globalement la même.

Le principe de fonctionnement global d’une batterie lithium-ion, par exemple d’une batte-rie LiMO2, est représenté sur la figure 1.2.

FIGURE 1.2 – Mouvement des ions lithium dans une batterie lithium-ion [2]

La capacité Cbatt de la batterie se mesure en ampère-heure (Ah) et elle est directement proportionnelle au courant, s’il est constant, et au temps de décharge de la cellule.