Li-ion

Une batterie lithium-ion stocke l'énergie grâce au mouvement des ions lithium entre deux bornes, appelées anode et cathode, séparées par un électrolyte. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium circulent de la borne négative à travers l'électrolyte vers la borne positive, libérant des électrons qui alimentent un appareil. L'inversion de ce flux par l'application d'un courant externe recharge la cellule. La chimie est rapide, efficace et reproductible sur des centaines de cycles de charge, ce qui en fait la technologie de stockage d'énergie dominante dans les applications industrielles, commerciales et grand public.

Les batteries Li-ion existent en plusieurs chimies, chacune optimisée pour différentes fonctions. Les cellules au phosphate de fer et de lithium (LFP) offrent sécurité et durée de vie, utiles dans le stockage stationnaire sur réseau et les bus électriques. La chimie nickel-manganèse-cobalt (NMC) équilibre la densité énergétique et la puissance de sortie, privilégiée dans les véhicules électriques et les outils électriques. Les cellules au lithium polymère (LiPo) sont minces et flexibles, courantes dans l'électronique portable et les drones. L'anode est généralement en graphite, la cathode est un composé d'oxyde métallique et l'électrolyte est un solvant organique contenant des sels de lithium dissous.

Modes de défaillance et limites réelles

Les batteries Li-ion se dégradent à l'usage. Le cyclage, les températures extrêmes, la surcharge et la décharge profonde réduisent tous la durée de vie et la capacité. L'emballement thermique, une réaction en chaîne catastrophique provoquant un incendie, se produit lorsque la température de la cellule dépasse environ 150 degrés Celsius en raison de défauts de fabrication, de dommages physiques, de courts-circuits électriques ou d'une mauvaise gestion thermique. Les dendrites, des dépôts de lithium en forme d'aiguilles qui peuvent se former sur l'anode pendant la charge, risquent de provoquer des courts-circuits internes. Les installations industrielles nécessitent des systèmes de gestion de batterie pour surveiller la tension, le courant et la température cellule par cellule, équilibrant la charge et coupant l'alimentation lorsque les limites sont atteintes.

La densité énergétique varie selon la chimie et le facteur de forme. Les cellules cylindriques 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de hauteur) délivrent une tension nominale d'environ 3,6 volts et une capacité de 2000 à 3500 milliampères-heures. Les cellules prismatiques et les cellules poche permettent des capacités plus importantes et un meilleur contact thermique dans les packs. Un pack de batteries de véhicule électrique de 50 à 100 kilowattheures contient des milliers de cellules individuelles configurées en chaînes série et parallèle, avec un câblage, des fusibles et une électronique de gestion élaborés.

Le nom reflète le matériau actif clé : les composés de lithium métallique se déplacent entre les électrodes pendant la charge et la décharge, un mécanisme découvert dans les années 1980 et commercialisé dans les années 1990 par Sony et d'autres. Les anciennes batteries nickel-cadmium et nickel-hydrure métallique manquaient de cette vitesse et de cette tolérance aux cycles. Aujourd'hui, le Li-ion domine car aucune chimie concurrente n'offre la combinaison de densité énergétique, de durée de vie, de marge de sécurité et d'échelle de fabrication à un coût comparable.