Actu+ 3 : Les batteries Lithium-ion
Les principales caractéristiques
Les constituants :
- La cathode : c’est le pôle positif de la cellule. C’est cette électrode, lors de la décharge, qui reçois les électrons du circuit électrique externe et les ions du circuit interne. Elle est généralement composée d’oxyde métallique de lithium / cobalt.
- L’électrolyte : Il constitue le circuit électrique interne où circulent les ions Li+. Il est composé d’un solvant liquide (solution organique) dans lequel des sels de lithium sont dissous. Pour les batteries lithium-polymère, la solution organique est remplacée par un polymère.
- Le séparateur : Son rôle principal est d’empêcher la survenue de courts-circuits entre les électrodes. Il est réalisé en non-tissé ou en film polymère. Le séparateur est poreux et est particulièrement perméable aux ions Li+.
- Les collecteurs : Il s’agit des conducteurs électriques internes chargés de collecter les électrons pour les mettre à disposition du circuit électrique externe. pour le côté anodique, il est en cuivre et en aluminium pour le côté cathodique.
- L’anode : C’est le pôle négatif de la cellule. C’est elle, lors de la décharge qui délivre les électrons dans le circuit électrique externe et les ions dans le circuit interne. Elle est généralement constituée de graphite.
- Le boîtier : C’est le contenant des autres constituants. Il réalise la protection mécanique ainsi que la fonction d’interface de connexion électrique. Pour les plus fortes puissances, il assure également le rôle d’échangeur thermique avec le mileiu environnant.
La chimie
Lors de la décharge, l’anode est oxydée pour libérer des électrons e- dans le circuit électrique
externe et des ions Li+ dans l’électrolyte (circuit électrique interne) tandis que la cathode est
réduite en consommant les électrons du circuit externe et les ions du circuit interne.
En termes d’équations chimiques, on obtient :
Nota : dans le circuit électrique externe, les électrons circulent à l’inverse du sens
conventionnel du courant, de l’anode vers la cathode.
Lors de la charge, les sens de circulation s’inversent et les équations sont à considérer dans
l’autre sens : l’anode est réduite et la cathode est oxydée.
Les ions Li+ font donc la navette entre l’anode et la cathode au fil des cycles de charge et
décharge
Les contraintes
Malgré leurs nombreux avantages, les batteries Li-ion sont entachées de quelques défauts qui,
s’ils ne sont pas correctement pris en considération, peuvent se transformer en problèmes
graves.
- La décharge profonde : la décharge profonde des cellules (tension<2.5V ou capacité résiduelle <5%) est hautement dommageable, qu’elle soit due à une utilisation prolongée ou à une autodécharge en phase de stockage
- La sur-charge : La sur-charge au-delà de 5.2V provoque des réactions chimiques irréversibles au niveau des électrodes qui réduisent définitivement la capacité de la cellule
- L’autodécharge : Les cellules en stockage subissent une autodécharge ou perte de capacité, pouvant aller jusqu’à quelques % par mois. Ainsi, il est impossible de stocker des cellules sur de longues durées sans maintenance (recharge partielle) sous peine d’atteindre la décharge profonde.
- Le cyclage/durée de vie : Les batteries sont soumises à deux principaux phénomènes de vieillissement : le cyclage (alternance des charges et décharges) selon des lois complexes de type fatigue qui font intervenir l’amplitude des cycles et leur nombre, et le temps combiné à la température de fonctionnement selon une loi d’Arrhénius.
- Les températures extrêmes : A des températures très basses les ions Li+ ne peuvent plus se déplacer dans l’électrolyte, la cellule perd alors toute capacité à délivrer du courant. A très haute températures, des réactions chimiques non contrôlées se manifestent entrainant des des dégradations irréversibles ; voire une destruction violente de la batterie. Dans les deux cas, des contraintes mécaniques liées aux différentiels de dilatation peuvent conduire à des ruptures dans les constituants et entrainer la mort de batterie
