Accumulateur lithium

Il existe trois sortes principales d'accumulateurs lithium :

• l'accumulateur lithium métal, où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité) ;
• les accumulateurs lithium-ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive (dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer) ;
• les accumulateurs lithium-ion-polymère sont une variante et une alternative aux accumulateurs lithium-ion. Ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.

Contrairement aux autres accumulateurs, les accumulateurs lithium-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur lithium-ion. Ceci explique la profusion de variantes existantes, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales à propos de ce type d'accumulateur, les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique, etc.) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance.

L'accumulateur lithium-ion fonctionne sur le principe de l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB). L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives[5].

La tension nominale d’un élément Li-Ion est de 3,6 V ou 3,7 V. La densité énergétique des accumulateurs Lithium-ion peut atteindre un niveau de 200 Wh/kg.

L'électrolyte est un polymère gélifié. L'accumulateur Li-ion polymère utilise un principe de fonctionnement semblable aux accumulateurs Li-ion et a des caractéristiques proches.

La tension d'un élément Li-Po est de 3,7 V ; plusieurs éléments sont généralement assemblés en « packs » :

• dans un assemblage en série, les tensions sont additionnées, pour obtenir (3,7 V, 7,4 V, 11,1 V, etc.) ;
• dans un assemblage en parallèle, la capacité du pack est la somme de celle de chaque élément.

L'accumulateur lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (typiquement entre 1,7 et 2,4 kWh/kg en pratique pour un chiffre théorique de 5 kWh/kg[8]). Cela est dû au fait, d'une part, que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans l'accumulateur (comme dans la plupart des piles et accumulateurs à air), mais, surtout, à la faible masse atomique et aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène. Fournissant une tension de 3,4 V, elle présente toutefois certains inconvénients : corrosion, besoin de filtres (exige un air très pur) et faible puissance spécifique (200 W/kg - 500 W/l). Ces batteries ne sont pas encore commercialisées et nécessiteront encore des années de recherche en laboratoire[9].

En janvier 2013, BMW et Toyota collaborent afin de développer la prochaine génération de batteries lithium-air, qui seront utilisées dans des véhicules hybrides et électriques[10] - [11].

L'accumulateur lithium-fer-phosphate (LFP), aussi appelé LiFe ou LiFePO4, a une tension un peu plus faible (~3,3 V) mais est plus sûr, moins toxique et d'un coût moins élevé. En effet, le prix des piles et batteries au lithium-ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode qui contient du cobalt ou du nickel, métaux très chers et rendant plus délicat leur approvisionnement auprès de différents fournisseurs.

Dans un accumulateur lithium à technique phosphate, les cathodes standard LiCo_xNi_yAl_zO₂ sont remplacées par le phosphate de fer lithié LiFePO₄, matériau peu cher car ne contenant pas de métaux rares et non toxique contrairement au cobalt. De plus, cette cathode est très stable et ne relâche pas d'hydrogène responsable des explosions et feux des accumulateurs Li-ion, ce qui la rend plus sûre[12].

Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de 30 kWh d'accumulateurs) une baisse de prix est impérative. En 2007 le coût d'un accumulateur LFP est de plus de 1 000 €/kWh et doit être abaissé sous 500 €/kWh pour atteindre ce marché. Certains fabricants chinois proposent au 15 juin 2011 des accumulateurs de 3,2 V 16 Ah (soit 51 Wh) pour 21 $, soit 15 €[alpha 1], ce qui donne un prix de 300 €/kWh environ. Attention, ce type de batteries requiert l'utilisation d'un système de sécurité BMS (Battery Management System); le BMS rajoute environ 20 % au prix.

Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie, amener leur capacité au niveau des autres techniques Li-ion et, à long terme, améliorer leur tenue à des températures élevées : il semblerait que la dissolution du fer (favorisée par la température) nuise à la cyclabilité de ce type d'accumulateur.

En mars 2009, une équipe du Massachusetts Institute of Technology[13] a mis au point un procédé permettant de doper considérablement la vitesse de charge des accumulateurs lithium-ion, que l'on retrouve dans la plupart de nos appareils high-tech. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine des voitures électriques dont le principal problème, outre le coût, est le temps de recharge des accumulateurs.

Des batteries lithium métal polymère (LMP), visant le marché automobile, sont développées par deux sociétés, Batscap (Ergué-Gabéric, France) et Bathium (ex-Avestor) (Boucherville, Québec). Cette dernière a été rachetée le 6 mars 2007 par le groupe français Bolloré (propriétaire à 95 % de Batscap) en prévision de son utilisation sur le véhicule électrique du groupe, la Bluecar, utilisée en particulier dans le réseau en autopartage Autolib de Paris.

Les accumulateurs LMP se présentent sous la forme d'un film mince enroulé. Ce film, d'une épaisseur d'une centaine de micromètres, est composé de cinq couches[17] :

1. Isolant ;
2. Anode : feuillard de lithium
3. Électrolyte : composé de polyoxyéthylène (POE) et de sels de lithium [alpha 2].
4. Cathode : composée d'oxyde de vanadium, de carbone et de polymère [alpha 2].
5. Collecteur de courant : feuillard de métal, permettant d'assurer la connexion électrique.

La start-up allemande Theion développe en 2022 une batterie à électrolyte solide dans laquelle la cathode est en soufre, ce qui permet de se passer du nickel, du cobalt et du manganèse couramment utilisés jusqu'ici. Selon ses dirigeants, la densité énergétique de la batterie est ainsi triplée et le coût de la cathode réduit de 99 %. Pour éviter les inconvénients de l'utilisation du soufre, qui provoque une corrosion importante, Theion l'utilise sous forme de cristal et non de poudre et a mis au point un revêtement spécial pour protéger la cathode. Theion prévoit de fabriquer sa première cellule fin 2022, puis de fournir des marchés de niche, avant de passer au marché des voitures électriques autour de 2025[21].

L’accumulateur lithium-titanate est une évolution d'accumulateur lithium développée par Toshiba sous l’appellation Super Charge ion Battery (SCiB).

À l'avenir, certains craignent que le lithium bon marché ne vienne à manquer car, s'il est très abondant sur Terre, les sites où il est facile et peu coûteux à extraire sont rares. Plus de 75 % de la production vient des salars d'Amérique du Sud, du Chili, d'Argentine et, depuis 2008, de Bolivie. Une augmentation des coûts du lithium aurait un impact sur le coût des batteries et mettrait en danger son application au véhicule électrique.

En raison du risque d'explosion et de combustion de ce type d'accumulateurs, ceux-ci font l'objet de restrictions dans les transports aériens et de précautions particulières en cabine pressurisée[25] - [26] - [27].

Dans les accidents automobiles, les incendies de batterie au lithium peuvent être longs à éteindre. En 2021, l'extinction d'incendie de Tesla a nécessité 121 m³ d'eau et quatre heures[28].