Qu'est-ce qu'une batterie au lithium-ion ?

Il est nécessaire de revenir au niveau atomique de la matière pour bien appréhender le fonctionnement d’une batterie lithium-ion.

Quelques rappels de base sur le fonctionnement d’une batterie lithium-ion

Comme tout accumulateur dont le fonctionnement est réversible, avec une phase de charge et une phase de décharge, la batterie a pour fonction première d’utiliser une réaction chimique pour créer de l’énergie (ici, de l’énergie électrique). La réaction chimique qui se produit dans une batterie s’appelle l’oxydo-réduction.

Pour mémoire, cette réaction chimique consiste à produire de l’énergie par transfert d’ions lithium entre deux électrodes qui baignent dans un liquide ou gel appelé électrolyte.

• Une électrode positive, la cathode, en oxyde métallique à base de lithium et d’oxyde de cobalt ;
• L’autre électrode négative, l’anode, en graphite.

Durant la décharge, qui est le fonctionnement attendu de la batterie, la différence de potentiel conduit les électrons à se déplacer de l’anode vers la cathode par le circuit extérieur. L’ion lithium chargé positivement et attiré par la charge négative des électrons, est ainsi libéré de l’anode vers la cathode.

Durant la recharge de la batterie lithium-ion, les échanges s’effectuent à l’inverse.

Schéma fonctionnement batterie lithium

Lithium, cobalt et graphite sont les matériaux utilisés dans la fabrication d’une batterie lithium-ion. Voici quelques explications supplémentaires…

Qu’est-ce que le lithium ?

Dans la classification de Mendeleïev, cet élément chimique de symbole Li possède un numéro atomique égal à 3. Métal alcalin mou, très facilement oxydable en présence d’eau et d’air, il est le plus petit élément qui existe à l’état solide à la pression atmosphérique. Il possède la particularité de facilement perdre un électron en se transformant en ion lithium, d’où le nom donné aux batteries lithium-ion. De nature très réactive, il existe à l’état naturel uniquement sous forme de minerai solide ou de composé ionique. Très présent sur la Terre, le lithium n’est pas menacé par une quelconque pénurie.

L’oxyde de cobalt

Initialement constituées de lithium, les cathodes se retrouvaient dégradées par l’alternance des cycles de décharge-recharge. De nombreux modèles de batteries possèdent donc dorénavant des cathodes en oxyde de cobalt (CoO2). Mais c’est dans l’électrolyte, qui est constitué des sels de lithium dissous dans un solvant, que l’on retrouve des ions lithium en grande proportion. Le but recherché en associant le lithium et l’oxyde de cobalt de la cathode est que la combinaison des deux devienne chimiquement stable.

Le graphite

Le graphite est utilisé pour fabriquer l’anode. L’avantage du graphite est qu’il constitue une forme de carbone à la structure feuilletée et que sa tension est moins élevée à la décharge.

Petit retour en arrière sur l’histoire de la batterie lithium-ion… C’est Stanley Whittingham qui, dans les années 70, a fait la conception du premier prototype de batterie lithium-ion. La cathode initialement en sulfure de tantale a été remplacée par de l’oxyde de cobalt par John Goodenough, ce qui a permis d’obtenir une batterie plus efficace. Enfin le Japonais Akira Yoshino a remplacé en 1986 le lithium pur constituant l’anode par du graphite, pour gagner en poids, stabilité et durée de vie de la batterie. Ces 3 co-inventeurs, Stanley Whittingham, John Goodenough et Akira Yoshino, ont d’ailleurs reçu en 2019 le prix Nobel de chimie.

La première entreprise à commercialiser une batterie lithium-ion est Sony en 1991.

Une batterie lithium-ion est constituée de plusieurs cellules. Chaque cellule est constituée d’une couche ainsi constituée :

• Une plaque de cuivre, collectrice de courant ;
• Une anode (-) ;
• Un gel d’électrolyte ;
• Une cathode (+) ;
• Une plaque d’aluminium pour collecter le courant généré.

Chaque cellule délivre une tension de quelques volts. Le nombre de cellules sera donc multiplié pour une batterie de véhicule en fonction de la puissance recherchée.

Comme toute solution technologique, les batteries lithium-ion présentent des points positifs mais également des inconvénients. Petit tour d’horizon…

Quels sont les avantages de la batterie lithium-ion ?

Les points positifs que constituent ce type de batteries lithium-ion sont les suivants.

• Ces batteries, très utilisées dans le domaine automobile et dans les systèmes embarqués, possèdent une forte densité d'énergie (densité d’énergie et puissance massique hautes). Elles peuvent ainsi stocker jusqu’à 4 fois plus d'énergie par unité massique que les batteries issues d’autres technologies.
• Leur recharge est très rapide, avec une autodécharge limitée et un effet mémoire nul contrairement à la technologie à base de nickel ;
• Aucune maintenance n’est requise ;;
• Elle supporte de nombreux cycles de charge-décharge (au moins 500 à 100 %).

Quels sont les risques de l’usage des batteries au lithium-ion ?

L’inconvénient le plus connu de ce type de technologie provient d’un risque d’embrasement soudain de la batterie, accompagné d’émission de fumées toxiques, à cause de l’emballement thermique de l’électrolyte au-delà de 100 °C, consécutif à des chocs ou des problèmes d’assemblage. Pour pallier ce risque, les concepteurs ont mis en place un système électronique coupe-circuit, dit BMS (Battery Management System). Grâce à ce système, les risques d’incendie sont ainsi grandement limités.