Type de chimie de batterie : zoom sur les batteries Lithium

Créée dans les années 1990, la batterie Lithium a profondément modifié les possibilités de stockage d’énergie et fait aujourd’hui partie intégrante de notre quotidien : smartphone, tablettes, ordinateurs, vélos à assistance électrique, véhicules électriques, la plupart de nos appareils nomades fonctionnent grâce à la technologie Lithium-ion (Li-ion). Comment et pourquoi la chimie des batteries Li-ion s’est imposée dans notre quotidien ?  

Pourquoi le lithium ?

Le lithium constitue l’élément chimique le plus électropositif : il a la capacité de partager facilement des électrons avec d’autres éléments. Or, c’est l’échange d’électrons entre deux éléments qui crée l’énergie. Le lithium dispose donc d’un excellent potentiel énergétique : les batteries Li-ion ont une densité énergétique quatre fois supérieure à celle des batteries au plomb !  
 
Autre avantage, la réversibilité de la réaction d’insertion des ions lithium au cours de la réaction chimique offre une remarquable tenue de la batterie Li-ion aux cycles de charge et décharge.  
 
Par ailleurs, il faut seulement 0,3 g environ de lithium métal pour produire 1 ampère pendant 1 heure. Une batterie de téléphone contiendra en moyenne 0,5 g de lithium, un ordinateur 10 g et une batterie de voiture 3 kg.  

Ainsi, sans la technologie Lithium-ion, les batteries seraient beaucoup plus lourdes, d’une durée de vie moindre et offriraient peu d’autonomie aux utilisateurs.  

Anatomie d'une batterie Li-ion

Une batterie Lithium-ion est une association de nombreuses cellules individuelles, toutes similaires et composées des éléments suivants :  

• Une électrode positive, également appelée cathode, constituée d’oxyde métallique (métal de transition) de lithium, intégrant des proportions variables de manganèse, de nickel et de cobalt,  

• Une électrode négative, appelée anode, généralement en graphite,  

• Un électrolyte qui permet le déplacement des ions de lithium dans la cellule. Dans ce solvant sont dissous des sels dépourvus de protons,  

• Un séparateur situé entre les électrodes et indispensable pour garantir l’absence de courts-circuits entre les deux électrodes. Il doit être perméable aux ions lithium et avoir la capacité d’absorber beaucoup d’ions.  

Différents types de chimie de batteries au lithium 

Il existe plusieurs types d’accumulateurs lithium :  

• Les batteries Lithium-ion : le lithium y demeure à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien du côté de l’anode, qui est généralement en graphite, que de la cathode qui peut être du dioxyde de cobalt (batterie LCO), du manganèse (batterie NMC) ou du phosphate de fer (batterie LFP). L’utilisation d’ions de métal de transition variés ne change pas le principe de fonctionnement des batteries, cependant, il impacte de nombreux paramètres. Ainsi, la densité énergétique de la batterie, sa sensibilité aux températures extrêmes, la tension à l’intérieur des cellules, le nombre de cycle de charge et de décharge pouvant être supportée, et par conséquent la durée de vie de la batterie, sont directement dépendants du choix du métal de transition ;  

• Les batteries Lithium-ion-polymère, dans lesquelles l'électrolyte est un polymère gélifié. Elles sont puissantes mais fragiles thermiquement et mécaniquement ;  

• Les batteries au lithium-titanate dans lesquelles le spinelle de lithium-titanate fritté remplace le graphite. Elles offrent une capacité de charge rapide beaucoup plus importante et démontrent une meilleure tolérance aux basses températures.  

En termes d’utilisation, on retrouvera davantage de batteries lithium au dioxyde de cobalt dans les téléphones portables, en raison du coût élevé de ces batteries liées à la présence du cobalt. Les batteries intégrant du phosphate de fer équiperont, généralement, les engins de traction, du fait de leur très grande durée de vie et d’un faible risque d’incendie. Dans l’automobile, ce sont les batteries Li-ion au manganèse qui sont les plus fréquentes. Ce type de chimie de batterie présente un excellent rapport qualité/prix et un très bon rapport poids/énergie, cependant ces batteries supportent mal les températures élevées. Les batteries Lithium-ion-polymère trouvent, quant à elles, leur place dans l’aéromodélisme. 

Les réactions chimiques dans une batterie de Li-ion

A l’origine de la production d’énergie par une batterie Li-ion, on retrouve un phénomène de réduction-oxydation (redox).  

C’est du côté de la cathode, au moment de la décharge, c’est-à-dire, quand la batterie fournit de l’énergie, que s’opère la réduction. Les atomes de lithium issus de l’électrode négative libèrent un électron. Cette particule chargée négativement va alors se diriger vers l’électrode positive en empruntant le circuit électrique interne de la cellule. En réaction, et de manière équilibrée, des ions lithium (Li+) vont circuler dans l’électrolyte, passer le séparateur et rejoindre la cathode. Ces ions Li+ sont alors absorbés par la cathode grâce à la présence des métaux de transition non mobiles (fortement ionisés). 

Au moment de la charge, c’est-à-dire quand la batterie est mise à charger, les atomes de lithium, qui sont alors non ionisés, rejoignent l’anode en passant au travers du séparateur. Une réaction d’oxydation a lieu et les atomes de Li sont intercalés entre les molécules de graphite de l’anode : c’est le phénomène d’intercalation.  

Pour résumé, le fonctionnement d’une batterie Li-ion repose sur le déplacement cyclique et réversible du lithium entre les électrodes. L’anode et la cathode restent toujours électriquement neutres dans la mesure où la charge engendrée par le mouvement des ions lithium s’équilibre en permanence avec celle liée au déplacement des électrons dans le circuit interne de la cellule.  

Liste des sources :

• https://culturesciences.chimie.ens.fr/thematiques/chimie-physique/electrochimie/la-technologie-li-ion 

• https://parlonssciences.ca/ressources-pedagogiques/les-stim-expliquees/comment-fonctionne-une-batterie-lithium-ion#:~:text=Que%20sont%20les%20composants%20d,anode)%20et%20un%20%C3%A9lectrolyte%20liquide. 

• https://www.jungheinrich-profishop.fr/fr/guide-pro/fonctionnement-batterie-lithium/