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La batterie lithium-ion
La batterie lithium-ion ou accumulateur lithium-ion est un type d'accumulateur lithium
Une technologie qui s'est imposée pour la mobilité électrique
Smartphones, caméras embarquées, drones, outillage électroportatif, motos électriques, scooters électriques, batteries motos, trottinettes... aujourd'hui les batteries au lithium sont tout simplement omniprésentes dans notre quotidien et ont révolutionné de nombreux usages. Mais qu'apportent-elles réellement et peuvent-elles encore se développer ?
Historique
C'est dans les années 1970 que la batterie lithium-ion a été imaginée par Stanley Whittingham. Les travaux de ce dernier seront poursuivis par John B Goodenough puis par Akiro Yoshino en 1986. Ce n'est finalement qu'en 1991 que Sony a commercialisé la première batterie de ce type et amorcé une révolution technologique. En 2019, les trois co-inventeurs ont d'ailleurs été récompensés par le prix Nobel de Chimie.
Comment ça marche ?
Par batterie Lithium-ion, on désigne en fait le pack composé de plusieurs cellules lithium-ion qui permet de stocker de l'énergie électrique et de la restituer. L'accumulateur repose sur trois principaux composants : une électrode positive nommée cathode, une électrode négative nommée anode et de l'électrolyte, une solution conductrice.
Lorsque la batterie se décharge, l'anode émet des électrons à travers l'électrolyte vers la cathode qui en retour échange des ions positifs. Le mouvement s'inverse au cours de la recharge.
Le principe de fonctionnement reste donc le même que celui d'une batterie "au plomb", sauf qu'ici le plomb et l'oxyde de plomb des électrodes sont remplacés par une cathode en oxyde de cobalt intégrant un peu de lithium et par une anode en graphite. De même, le bain d'acide sulfurique ou d'eau cède sa place à un électrolyte composé de sels de lithium.
Aujourd'hui, l'électrolyte utilisée est sous forme liquide, mais la recherche va dans le sens de l'électrolyte solide, plus sûre et plus durable.
On notera qu'il faut un chargeur spécifique pour une batterie lithium-ion et qu'utiliser un chargeur pour batterie au plomb peut tout simplement faire exploser la batterie au pire, la détruire au mieux, notamment pour des raisons de voltages maximum. Il faut donc utiliser un chargeur dédié ou intelligent, ce dernier détectant automatiquement le type de batterie et effectuant un type de recharge différent.
Avantages
Pourquoi la batterie lithium-ion a-t-elle supplanté toutes les autres au cours des 20 dernières années ?
La réponse est simple. Cet accumulateur assure une excellente densité énergétique et permet donc d'assurer la même performance pour un poids particulièrement réduit vis-à-vis d'accumulateurs au plomb, au nickel...
Ces batteries présentent également une auto-décharge relativement faible (maximum 10% par mois), ne nécessitent pas de maintenance et n'ont pas d'effet de mémoire.
Enfin, si elles sont plus onéreuses que les anciennes technologies de batteries, elles le sont moins que les lithium-polymère (Li-Po) et restent plus performantes que les lithium-phosphate (LiFePO4).
Inconvénients
Pourtant, les batteries lithium-ion ne sont pas parfaites et présentent notamment une plus forte altération des cellules en cas de décharge complète. Pour éviter que celles-ci perdent trop rapidement leurs propriétés, il vaut donc mieux les charger sans attendre qu'elles soient à plat.
Surtout, l'accumulateur peut présenter de graves risques en matière de sécurité. Lorsque la batterie surcharge ou descend sous les -5°C, le lithium se solidifie à travers des dendrites partant de chaque électrode. Lorsque l'anode et la cathode sont reliées par leurs dendrites, la batterie peut prendre feu et exploser. De nombreux cas ont été recensés chez Nokia, Fujitsu-Siemens ou encore Samsung. Des explosions sont également survenues dans des avions, si bien qu'aujourd'hui il est interdit d'embarquer une batterie lithium-ion en soute et que l'embarquement en cabine est souvent limité en termes de puissance (interdites au-dessus de 160 Wh et soumis à autorisation entre 100 et 160 Wh).
Pour lutter contre ce phénomène, les fabricants ont ainsi mis en place des systèmes de gestion électronique (BMS - Battery Management System) en étant capables de mesurer la température de la batterie, de réguler la tension et de faire office de coupe-circuit en cas d'anomalie. L'électrolyte solide ou à gel polymère sont également des perspectives étudiées pour contourner le problème.
C'est aussi pour éviter la surchauffe que la charge d'une batterie est ralentie sur les 20 derniers pourcents, d'où des temps de charge souvent annoncés uniquement pour les 80%...
Très pratique pour les besoins du quotidien, l'accumulateur li-ion affiche cependant un lourd impact environnemental, tout d'abord par le biais de l'extraction du lithium qui requiert une quantité astronomique d'eau douce, puis par le retraitement de celui-ci en fin de vie. Le recyclage ou la réutilisation se développent cependant d'année en année.
Quel avenir pour le lithium-ion ?
Alors que la recherche se tourne de plus en plus vers des technologies alternatives, moins polluantes, plus durables, moins chère à produire ou plus sure, la batterie lithium-ion est-elle arrivée au bout de ses capacités ?
Exploitée à l'échelle industrielle depuis trois décennies, la batterie lithium-ion n'a pas dit son dernier mot et les développements se poursuivent pour continuer à améliorer sa densité énergétique, sa vitesse de recharge ou encore sa sécurité. On le constate au fil des ans, notamment dans le domaine du deux-roues motorisé là où un scooter ne tenait qu'une cinquantaine de kilomètres il y a 5 ans, certaines motos dépassent aujourd'hui les 200 bornes d'autonomie.
Les promesses de révolution sont également légion comme l'électrode au carbone de Nawa, la batterie pliable de Jenax, une température de fonctionnement de 105°C chez NGK...
Malheureusement, la recherche se heurte souvent à la dure réalité de la rentabilité et des impératifs industriels. En attendant qu'une technologie alternative soit au point, en particulier la lithium-air que tout le monde attend, le lithium-ion a encore de beaux jours devant lui, en particulier dans l'univers du deux-roues électrique où le poids et l'encombrement réduits sont des critères essentiels.
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