Les batteries lithium-ion se caractérisent par une haute densité énergétique, ce qui est une autre façon de dire que pour un poids donné, leur capacité de charge est très importante. De plus, lorsqu'elles ne sont pas utilisées, elles conservent leur charge plus longtemps que les autres types de batteries. Contrairement à la plupart des autres types de batteries rechargeables, les batteries lithium-ion n'ont pas de « mémoire », ce qui signifie qu'elles n'ont pas besoin d'être complètement vidées pour pouvoir être rechargées. Il existe différents types de batteries lithium-ion (ou Li-ion), mais elles comportent dans tous les cas une électrode négative, généralement composée de carbone, appelée l'anode. Elles comprennent également une électrode positive à l'oxyde de lithium, appelée la cathode, ainsi qu'un électrolyte contenant un sel de lithium. Chaque type de batterie produit sa propre tension caractéristique et possède son ensemble de points forts et de faiblesses.
L'inconvénient des batteries lithium-ion est leur risque d'explosion et d'incendie, présent en cas de surcharge ou de charge trop rapide avec une intensité trop importante. Compte tenu de ce risque, des circuits de protection doivent être mis en place. Le lithium peut lui-même présenter une réaction explosive lorsqu'il entre en contact avec de l'eau. Il est donc essentiel que les batteries lithium-ion soient très résistantes afin d'éviter tout traumatisme mécanique.
Principes de fonctionnement
La structure de base d'une batterie lithium-ion inclut l'anode, ou borne négative, le plus souvent au graphite et la cathode, ou borne positive, qui peut être à base d'oxyde de lithium. Une séparation empêche les bornes de se toucher, mais elle est perméable aux ions de lithium qui flottent librement entre les bornes dans une solution appelée l'électrolyte.
Figure 1 : Batterie lithium-ion (Source : Palladium Energy).
Charge et décharge d'une batterie
Pour mieux comprendre le fonctionnement des batteries lithium-ion, il est préférable de parler d'oxydation (perte d'électrons) et de réduction (gain d'électrons). Un principe de base de la chimie est que ces réactions doivent s'équilibrer. Pour chaque gain, il doit exister une perte ; pour chaque oxydation, il doit y avoir une réduction.
Pendant la charge, une oxydation se produit dans la cathode (borne positive), qui perd des électrons. Cette perte est compensée par la réduction, ou gain, des électrodes de l'anode (borne négative). Lorsque la batterie est complètement chargée, les ions de lithium libres chargés positivement sont attirés par la borne négative.
Lorsque la batterie fournit de l'énergie, les électrons circulent entre l'anode (borne négative) et l'appareil alimenté par la batterie, puis reviennent dans la borne positive (cathode).
Le processus s'inverse : l'oxydation se produit à présent dans l'anode (borne négative) et la réduction dans la cathode. La borne négative ayant perdu certains de ces électrons, elle perd certains de ces ions chargés positivement, qui réintègrent la cathode. Le cycle est terminé.
Dioxyde de cobalt et de lithium
Le type de batterie lithium-ion le plus souvent choisi pour les équipements électroniques portables est la variété au dioxyde de cobalt et de lithium, qui doit son nom à la composition (LiCoO2) de son électrode positive, ou cathode. L'anode, son électrode négative, est à base de graphite de carbone. Des densités énergétiques de 250 watts-heures sont possibles, valeur assez élevée, même en comparaison avec d'autres batteries lithium-ion. Un unité conçue pour 2 ampères heure ne doit jamais être chargée à plus de deux ampères, par exemple et le facteur de sécurité standard est de 0,8, pour un taux de charge maximum de 0,8 x 2,0 ampères, soit 1,6 ampères. Les limitations sont similaires pour le taux de décharge. Il est essentiel que le circuit de contrôle maintienne les opérations dans cette plage de valeurs et de s'assurer que l'unité ne dépasse pas la limite de température afin d'éviter tout risque d'incendie ou d'explosion. La tension de fonctionnement type est de 3,6 Volts, ce qui, en plus de la densité énergétique élevée, en fait la solution d'alimentation idéale pour les appareils électroniques mobiles.
Oxyde de lithium, nickel, manganèse et cobalt (NMC)
Ce type de batterie lithium-ion offre une densité énergétique inférieure mais une durée de vie supérieure à celle du dioxyde de cobalt et de lithium et s'utilise généralement dans les véhicules électriques. La formule chimique de l'anode est LiNiMnCo02, et ces types de batteries lithium-ion peuvent être rechargés sur plusieurs cycles sans détérioration.
Dans les véhicules électriques, ces batteries sont configurées en bloc parallèles afin de déployer un courant suffisant. Ces blocs sont ensuite utilisés en série pour fournir une tension suffisante à l'alimentation du moteur électrique d'un véhicule. La batterie complète se compose de plusieurs centaines de cellules. Cette structure complique considérablement les exigences requises pour les circuits de surveillance de la tension et de l'intensité de charge et de décharge et de la température, dans la mesure ou chaque cellule doit être surveillée individuellement.
Améliorations et innovations
Plusieurs autres types de batteries lithium-ion sont actuellement en production. Des sommes colossales sont investies à l'échelle internationale dans le but d'améliorer ces types de batteries lithium-ion, et de proposer de nouvelles formulations.
Pour les batteries de type NMC, la recherche porte sur la réduction de l'utilisation de nickel et de cobalt au bénéfice d'une quantité supérieure de manganèse, et plus particulièrement de lithium. Les batteries résultantes offrent une densité énergétique supérieure sans les dangers associés aux variétés au dioxyde de cobalt et de lithium, mais il apparaît que jusqu'à présent, elles ne soient pas capables de supporter autant de cycles de recharge. Lorsque la recherche portera ses fruits, tout laisse présager que la puissance en watt-heures pourra être fournie par un nombre inférieur de cellules, ce qui se traduira par des batteries plus légères et moins onéreuses.
Pour l'ensemble des batteries lithium-ion disponibles sur le marché, le processus de fabrication implique l'utilisation de matières toxiques hautement inflammables, ce qui exige de recourir à des équipements de production extrêmement coûteux qui ne doivent pas émettre d'étincelles. Il est impératif que les produits chimiques utilisés ne pénètrent pas dans l'atmosphère ni dans la nappe phréatique, ce qui augmente aussi considérablement les coûts de fabrication. Tout porte à croire qu'une meilleure compréhension des subtilités de l'interaction chimique entre les différents composants des batteries lithium-ion permettra un plus grand nombre de manipulations dans les processus de fabrication, ce qui évitera le recours à ces éléments dangereux. Si les résultats s'avéraient concluants, ils se traduiraient par une baisse significative du coût de l'ensemble des batteries lithium-ion.
Des recherches sont également activement menées dans le domaine des temps de charge. Au bout du compte, ce critère pourrait s'avérer encore plus important que la densité énergétique ou même le coût pour l'acceptation des véhicules électriques par le grand public. L'une des manipulations à l'étude est l'impulsion du courant de charge, plutôt que son application en continu, qui donne des résultats prometteurs en termes de réduction du temps de charge. Elle entraîne cependant l'apparition de nouveaux types d'intermédiaires chimiques, qu'on ne connait pas encore parfaitement, sur les différents sites de la batterie en cours de charge. L'exploitation de cette possibilité exigera en outre une meilleure compréhension des composants chimiques, et de la réaction des composants des batteries aux conditions de pression à l'intérieur d'une batterie fonctionnelle.
Les batteries sont devenues un facteur limitatif dans de nombreux secteurs clés, notamment l'automobile et les appareils mobiles. Les types existants sont améliorés, et de nouveaux types de batteries sont en cours de développement. Mais pour une génération sevrée à la loi de Moore, les progrès ne sont peut-être pas assez rapides. Partout dans le monde, les laboratoires des universités et des entreprises explorent des alternatives radicales et on ne peut pas exclure l'hypothèse que les batteries lithium-ion ne restent dans les mémoires que comme un produit de transition.