Ce qu'il faut savoir sur les piles au lithium-ion

Introduction

Les batteries lithium-ion, souvent désignées par l'abréviation LIB, sont des dispositifs de stockage d'énergie rechargeables qui sont devenus l'étalon-or pour l'alimentation d'un large éventail de technologies modernes. De nos smartphones et ordinateurs portables aux véhicules électriques et aux systèmes de stockage d'énergie renouvelable, les batteries lithium-ion ont transformé la manière dont nous utilisons et stockons l'énergie électrique. Dans cet article, nous allons explorer le rôle central que jouent les LIB dans ces industries, en fournissant une meilleure compréhension de leurs principes de fonctionnement, de leurs matières premières, de leurs avantages et de leurs applications.

[1]

Figure 1. Batterie au lithium-ion

Principes de fonctionnement des batteries au lithium-ion

Les batterieslithium-ion utilisent un processus électrochimique remarquable. Elles fonctionnent sur le principe de la navette des ions lithium (Li+) entre deux composants essentiels : l'anode et la cathode. Pendant la phase de charge, les ions lithium sont extraits de la cathode et stockés dans l'anode, créant ainsi une différence d'énergie potentielle. Pendant la phase de décharge, lorsque la batterie fournit de l'énergie, ces ions retournent à la cathode par l'intermédiaire d'une solution électrolytique.

[2 ]

Figure 2. Structure d'une batterie Li-ion

Matériaux des batteries lithium-ion

Dans le processus électrochimique, différents matériaux LIB sont soigneusement sélectionnés et conçus pour maximiser les performances, la densité énergétique et l'efficacité globale de la batterie. Voici les principaux composants des matériaux des batteries lithium-ion :

--Matériaux d'anode

Les anodes des batteries LIB sont généralement constituées de matériaux capables d'intercaler (absorber et libérer) les ions lithium pendant les cycles de charge et de décharge. Les matériaux d'anode courants comprennent le graphite et le silicium.

lLegraphite est le matériau d'anode le plus couramment utilisé dans les batteries lithium-ion commerciales en raison de sa stabilité et de ses performances électrochimiques .

lLesilicium a une capacité théorique de stockage du lithium supérieure à celle du graphite. Cependant, l'expansion et la contraction du silicium pendant les cycles de lithiation et de délithiation posent des problèmes d'ingénierie.

--Matériaux de cathode :

Les cathodes sont un autre composant essentiel qui détermine la tension et la capacité de la batterie. Les différents matériaux de cathode ont des plateaux de tension et des densités d'énergie variables.

l L'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2) a été largement utilisé dans les premières générations de piles à lithium, en particulier dans l'électronique grand public. Il offre une bonne densité énergétique, mais est moins répandu dans les applications de grande capacité et de forte puissance en raison de problèmes de sécurité et de son coût.

lLephosphate de fer lithié (LiFePO4 ) est connu pour sa sécurité et sa longue durée de vie. Il est souvent utilisé dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage des énergies renouvelables où la sécurité et la longévité sont essentielles.

l Lescathodes en oxyde de nickel-cobalt-manganèse (NCM) et en oxyde de nickel-cobalt-aluminium (NCA) sont couramment utilisées dans les batteries de véhicules électriques. Elles offrent un équilibre entre la densité énergétique et la densité de puissance.

l L'oxyde de lithium et de manganèse (LMO) est apprécié pour sa stabilité thermique et sa sécurité, ce qui le rend approprié pour les applications où la gestion de la température est une préoccupation.

--Électrolyte :

L'électrolyte est le milieu conducteur qui permet aux ions lithium de se déplacer entre l'anode et la cathode pendant la charge et la décharge. Les électrolytes courants comprennent des sels de lithium dissous dans des solvants organiques, mais des électrolytes à l'état solide sont en cours de développement pour améliorer la sécurité et la densité énergétique.

--Séparateur :

Les séparateurs sont des membranes poreuses qui séparent physiquement l'anode et la cathode tout en permettant le passage des ions lithium. Ils sont généralement fabriqués en polyéthylène (PE) ou en polypropylène (PP) et jouent un rôle essentiel dans la prévention des courts-circuits et l'amélioration de la sécurité.

Avantages des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion offrent une multitude d'avantages qui en ont fait le choix privilégié pour un large éventail d'applications. Voici quelques-uns des principaux avantages des batteries au lithium-ion.

lEfficacité : Les batteries LIB ont une densité énergétique élevée, sont rechargeables et ont un faible taux d'autodécharge.

lDurabilité : Les piles à combustible peuvent fonctionner efficacement dans une large gamme de températures, allant d'un froid glacial à une chaleur intense. Elles ont une longue durée de vie, ce qui signifie qu'elles peuvent subir de nombreux cycles de charge et de décharge avant de voir leur capacité se dégrader de manière significative.

lDurabilité : Les piles à combustible produisent moins d'émissions et ont une empreinte environnementale plus faible que d'autres solutions de stockage d'énergie.

lSécurité : Les batteries modernes intègrent des dispositifs de sécurité tels que la protection thermique, la protection contre la surcharge et des systèmes de gestion de la batterie intégrés pour surveiller et gérer les performances et la sécurité de la batterie.

Applications des batteries lithium-ion

Ces avantages ont fait des batteries lithium-ion une force dominante sur le marché du stockage de l'énergie, stimulant les innovations dans un large éventail d'applications :

lElectronique grand public : Les batteries lithium-ion alimentent nos smartphones, tablettes, ordinateurs portables, appareils photo et d'innombrables autres appareils portables, fournissant la source d'énergie durable et performante nécessaire à nos vies de plus en plus connectées.

lVéhicules électriques (EV) : Les piles à combustible font partie intégrante de la révolution de la mobilité électrique, car elles constituent le principal système de stockage de l'énergie dans les voitures électriques. Leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie et à les restituer efficacement a propulsé la croissance du marché des véhicules électriques.

lStockage des énergies renouvelables : Ces batteries sont essentielles pour stocker l'électricité produite par des sources renouvelables telles que les panneaux solaires et les éoliennes. Cette énergie stockée peut être utilisée pendant les périodes de faible production d'énergie renouvelable ou pendant les pics de demande.

lAérospatiale : Les batteries LIB sont utilisées dans des applications aérospatiales, notamment pour alimenter des satellites, des engins spatiaux et des véhicules aériens sans pilote (UAV), où leur haute densité énergétique et leur fiabilité sont essentielles.

lDispositifs médicaux : Elles sont utilisées dans les équipements médicaux, garantissant que les appareils critiques tels que les défibrillateurs cardiaques implantables (DCI) et les moniteurs médicaux portables restent opérationnels lorsque le besoin s'en fait le plus sentir.

Conclusion

En résumé, les batteries lithium-ion ont ouvert la voie à une ère transformatrice de solutions énergétiques plus propres, plus efficaces et plus durables. Ces remarquables dispositifs de stockage d'énergie ont révolutionné la manière dont nous alimentons nos appareils, nos véhicules et nos systèmes d'énergie renouvelable, laissant une marque indélébile sur diverses industries grâce à leur densité énergétique élevée, leur durabilité et leur polyvalence.

Divers matériaux pour batteries lithium-ion sont en vente à Stanford Advanced Materials (SAM), notamment l'oxyde de manganèse au lithium-nickel-cobalt (NCM), l'oxyde d'aluminium au lithium-nickel-cobalt (NCA), l'oxyde de cobalt-lithium (LCO), le phosphate de fer-lithium (LFP), etc. Envoyez-nous une demande de renseignements si vous êtes intéressé.

Référence :

[1] Chandler, D. L. (2023, 23 mars). Uneétude révèle une chute des coûts des batteries lithium-ion. MIT News. Consulté le 12 septembre 2023 sur https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323

[2] Ghiji, M. ; Novozhilov, V. ; Moinuddin, K. ; Joseph, P. ; Burch, I. ; Suendermann, B. ; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression, Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117