Technologie des batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion (Li-ion) stockent l’électricité sous une forme chimique.
De ce fait toute la technologie se base sur des réactions chimiques.
Le processus de charge et de décharge des batteries électriques résulte de réactions chimiques.
Et cela grâce à l’interaction de plusieurs éléments chimiques : carbone (C), cobalt (Co), oxygène (O) et bien sûr lithium (Li).
Une batterie lithium-ion est en fait un assemblage de cellules encloses dans une enveloppe de protection.
Ce sont ces cellules qui comportent un accumulateur avec lequel on stocke réellement l’énergie.
Chaque accumulateur comporte lui-même une électrode positive (cathode) et une électrode négative (anode).
On place d’ailleurs un séparateur (film polymère) entre ces deux électrodes pour éviter les courts-circuits.
Une électrode composite comporte des matériaux actifs, du carbone et des liants.
Le composite comporte ainsi trois composants :
- un matériau majoritaire (actif) qui insère les ions lithium
- un percolant électronique pour assurer le passage des électrons du collecteur de courant vers les matériaux actifs (du noir de carbone amorphe)
- un liant pour la tenue mécanique des électrodes et l’adhésion des matériaux sur le collecteur de courant (polymère fluoré PVDF ou liants à base de cellulose CMC ou de gomme SBR)
Le collecteur de courant est en fait une feuille d’aluminium pour l’électrode positive (cathode) et une feuille de cuivre pour l’électrode négative (anode).
L’électrode positive (cathode) se compose d’oxyde métallique de lithium dont la structure cristalline forme également des feuillets (avec des oxydes de cobalt, de manganèse et de nickel).
L’électrode négative (anode) comporte quant à elle du graphite sous la forme de feuillets.
La structure en feuillet des électrodes permet notamment de contenir des atomes de lithium entre chaque feuilles.
Le séparateur qui est perméable aux ions de lithium peut en absorber de grandes quantités.
Avec le cobalt, il se forme un oxyde mixte de lithium et de cobalt généralement désigné par LCO mais de formule LiCoO2.
Avec le graphite, le lithium forme un composé d’insertion de formule LiC6.
Le séparateur des batteries lithium-ion contrôle et sécurise les réactions électrochimiques à l’intérieur de la batterie.
Il résiste à des températures allant jusqu’à 700° C et garantit ainsi les échanges de gaz.
Tout cet appareillage baigne dans une électrolyte spéciale (anhydre) car le lithium réagit à l’eau.
L’électrolyte des batteries lithium-ion est un sel de lithium (hexafluorophosphate).
Ce sel se dissout dans un solvant organique à base de carbonate d’éthylène et de propylène.
Pour les batteries lithium-polymère c’est notamment un polymère de polyfluorure de vinylidène ou de polyfluorure de vinylidène-hexafluoropropène.
Le composant électrique le plus important pour la technologie des batteries lithium-ion, c’est le système BMS.
Ce système de gestion de la batterie ou Battery Management System (BMS) fait d’ailleurs l’interface entre la batterie et l’appareil.
Il sert aussi à optimise la capacité, l’énergie et la puissance de la batterie.
Ce composant comporte également plusieurs parties :
- OBS (one board sense) qui diagnostique le fonctionnement
- SCU (stack control unit) qui contrôle les unités
- BCU (battery control unit) qui regroupe toutes les informations des différents modules.
C’est le BMS qui prolonge la durée de vie de la batterie car il bloque la décharge profonde lors d’un stockage prolongé.
Les composants d’une batterie au Lithium-Ion peuvent donc se révéler très polluants pour l’environnement.
Surtout quand on ne les récupère pas pour les traiter correctement.
Article : P. du Chélas
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