batterie lithium-ion

Une batterie lithium-ion est une cellule électrochimique rechargeable dans laquelle les ions lithium se déplacent entre une électrode négative (anode) et une électrode positive (cathode) à travers un électrolyte, libérant ou absorbant de l'énergie électrique pendant leur trajet. Contrairement aux batteries primaires, ces cellules peuvent être chargées et déchargées des centaines à des milliers de fois avant que la dégradation ne devienne sévère. L'anode est généralement en graphite, la cathode est un oxyde de métal de lithium (couramment le phosphate de fer et de lithium, le LiCoO2 ou des variantes NCA), et l'électrolyte est un solvant organique transportant des sels de lithium dissous.

Les applications industrielles dépendent fortement de la chimie et du format des cellules. Les cellules cylindriques (tailles 18650, 21700) s'intègrent dans les batteries d'outils et les systèmes d'alimentation de secours. Les cellules prismatiques de format plat conviennent aux ordinateurs portables et au stockage stationnaire. Les cellules pochettes offrent un gain de poids pour les véhicules électriques et l'aérospatiale. La densité énergétique varie d'environ 150 Wh/kg pour la chimie au phosphate de fer à 250 Wh/kg pour les mélanges nickel-cobalt. Les performances en température, la durée de vie et le coût varient considérablement: les cellules LFP coûtent moins cher et tolèrent le froid et les abus de charge, tandis que les chimies NCA et NCM offrent une énergie plus élevée mais exigent une gestion thermique et des profils de charge prudents.

Modes de défaillance et réalité du terrain

L'emballement thermique, une réaction exothermique incontrôlée, se produit lorsque la résistance interne provoque de la chaleur, que le séparateur (un film microporeux) fond, que les électrodes se touchent en interne et que la température dépasse 200 degrés Celsius. Cela se produit par des courts-circuits externes, une surcharge au-delà de la limite de tension de la cellule (généralement 4,2 à 4,3 volts), une perforation mécanique ou des défauts de fabrication. Une fois déclenché, l'emballement thermique ne peut être arrêté; la cellule libère du gaz électrolytique inflammable et de la chaleur. Les systèmes de gestion de batterie (BMS) surveillent la tension et la température des cellules pour prévenir ces états, mais aucun système ne détecte toutes les défaillances.

La dégradation cyclique et la dégradation calendaire réduisent toutes deux la capacité au fil du temps. La dégradation cyclique résulte de changements structurels dans les matériaux des électrodes et de la croissance de films résistifs (interface électrolyte solide, ou SEI) sur l'anode chaque fois que les ions lithium sont extraits et réinsérés. La dégradation calendaire se produit même en stockage: des réactions chimiques parasites se poursuivent lentement, surtout à température élevée ou à un état de charge élevé. Les équipements industriels déployés dans des climats chauds ou maintenus chargés 24h/24 et 7j/7 subissent une perte accélérée de capacité utilisable.

Le terme «lithium-ion» distingue ces cellules des anciennes batteries primaires au lithium métal (non rechargeables, contenant du lithium métallique réel) et d'autres chimies rechargeables comme le nickel-hydrure métallique ou le plomb-acide. L'accent mis sur les ions reflète l'électrochimie: aucun métal de lithium en vrac n'est présent pendant le fonctionnement normal; au lieu de cela, les cations Li+ en solution et en phases solides transportent la charge. Cette conception élimine la croissance dendritique qui a affligé les premières tentatives de rechargeables au lithium métal et rend les cellules plus sûres à manipuler, bien que non sans risque. Le coût, la densité énergétique et la capacité à être fabriquées dans de nombreux formats ont fait du lithium-ion le type de batterie rechargeable dominant dans les équipements industriels et grand public depuis le début des années 2000.