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Les accumulateurs au lithium sont à l'heure actuelle ceux qui offrent la plus grande capacité de stockage par unité de volume et/ou de masse.

Cette technologie possède de nombreux avantages sur ses concurrents – nickel-cadmium (NiCd), nickel-métal-hydrure (NiMH) – comme l'absence d'effet mémoire, le faible taux d'auto-décharge et la dispense d'entretien.

La technologie de batteries au lithium englobent en fait plusieurs types de produits. Tous sont évidemment basés sur un procédé électrochimique impliquant le lithium mais ce dernier ne se présente pas toujours sous la même forme.

Globalement on distingue deux sortes d'accumulateurs au lithium:

1) L'accumulateur lithium métal: L'électrode négative est composée de lithium métallique. Ce composé est délicat au niveau de la sécurité, le lithium peu s'enflammer au contact de l'air.

2) L'accumulateur lithium-ion: Dans ce type d'accumulateur le lithium reste à l'état ionique; au niveau de l'électrode négative il est généralement lié au graphite. A l'électrode positive on peut trouver différents composés tels que le dioxyde de cobalt, le manganèse, le phosphate de fer,...

Historique

Les premiers travaux sur des batteries au lithium datent du début du XXème siècle grâce à Gilbert Newton Lewis. Ce physicien et chimiste américain s'est penché sur le rôle des électrons périphériques des atomes dont il a déduit une interprétation, désormais adoptée, des liaisons chimiques. Pour l'anecdote on lui doit également le terme de « photon » qu'il a proposé en 1926 pour nommer le quantum d'énergie rayonnante.

C'est seulement dans les années 1970s que les premières batteries, non rechargeables, au lithium ont été mises sur le marché.

Le désavantage de la technologie au lithium c'est l'aspect sécurité. Ce type de batteries intègre un circuit électronique de contrôle afin de maîtriser la charge et la décharge ainsi que pour prévenir les hausses de température.

Pour chacune de ces deux catégories on distingue de nombreuses variantes, voici les principales familles:

Lithium-ion standard (à électrolyte aprotique)

Dans une batterie lithium-ion de base, l'ion lithium se déplace d'une électrode positive (dioxyde de cobalt, cobalt+nickel, manganèse) à une électrode négative (graphite). Les électrodes d'un accumulateur lithium sont très réactives, elles sont baignées et protégées par la présence d'un électrolyte aprotique.

La première batterie de ce type a été commercialisée par Sony en 1991. Au niveau de l'anode c'est le cobalt qui est le plus largement utilisé. Cependant le manganèse est moins cher et moins dangereux en cas de disfonctionnement. Par contre l'utilisation du manganèse diminue la capacité énergétique de la batterie ainsi que sa durée de vie.

Tension d'un élément Lithium-ion: 3,6 V

 

 Avantages:

variante la moins coûteuse
haute densité énergétique
potentiel d'amélioration

 Inconvénients:

présence d'un contenant métallique
risques de fuite d'électrolyte
sujet au vieillissement (même si l'accumulateur n'est pas utilisé)

 

Lithium-ion polymère (Li-Po)

Sur le plan chimique ces batteries sont similaires au batteries Lithium-ion par contre l'électrolyte est alors remplacé par un polymère gélifié.

Tension d'un élément Li-Po: 3,7 V
Applications: modèles réduits, SolarImpulse, téléphones et ordinateurs portables - vélos à assistance électrique,...

 

 Avantages:

liberté de mise en forme (fines plaques, supports flexibles,...)
faible poids (en évitant une lourde enceinte métallique)
plus sûr (pas de fuites d'électrolyte possible)

 Inconvénients:

densité énergétique plus faible que les batteries lithium-ion
plus chères
la charge doit être bien contrôlée pour éviter l'inflammation
moins de cycles de vie

 

Lithium-phosphate

Dans ce type de batteries, le mélange cobalt/nickel qui est présent au niveau de la cathode (LiCoxNiyAl2O2) est remplacé par du phosphate de fer (LiFePO4). Ce matériau est moins cher et moins toxique que le cobalt. Cette technologie est cependant la plus récente et nécessite encore des travaux pour maîtriser son vieillissement et son comportement a des températures élevées.

Tension d'un élément lithium-phosphate: ~ 3,3 V
Applications: scouter – petites voitures électriques - ...

 

 Avantages:

plus sûr
moins toxique
coûts moins élevés
forte capacité de charge et décharge

Inconvénients:

technologie en développement

 

Lithium métal polymère (LMP)

Ce type de batterie se présente sous forme de plaques multi-couches, elle contient des feuillets de lithium métallique et un polymère gélifié. p>

 Applications: voitures électriques, espace, défense,...

 

 Avantages:

longue durée de vie
plus sûr
faible auto-décharge
peu toxique

 Inconvénients:

 

 

Autres développements

Super Charge Ion Battery (SciB) ou batterie Lithium-titanate: Technologie proche du lithium-ion standard, développée par Toshiba elle a l'avantage d'un chargement très rapide (env. 10 min.) et d'une très grande durée de vie (plus de 6000 cycles). Par contre la capacité est d'un tiers par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles.

Nickel – Lithium  : Panasonic ainsi que différents laboratoires de recherche travaillent sur cette technologie qui vise à allier la grande capacité des batteries au nickel avec le voltage élevé de celle au lithium. La densité énergétique de ces batteries pourrait alors doubler par rapport aux meilleures batteries lithium-ion actuelles.