Qu’est-ce qu’une pile au lithium ?
Une pile au lithium est un type de pile chimique qui tire son énergie d’une réaction chimique. Les piles au lithium sont des piles rechargeables basées sur une réaction d’intercalation utilisant comme électrode négative un matériau en carbone capable de stocker des ions lithium.
Les piles au lithium, quant à elles, utilisent du lithium métallique ou des alliages de lithium pour l’électrode négative et sont généralement des piles primaires non rechargeables.
Le dioxyde de manganèse, le fluorure de graphite et le disulfure de fer sont utilisés pour l’électrode positive des piles au lithium, mais celles qui utilisent le dioxyde de manganèse sont les plus courantes, et les piles au lithium désignent généralement les piles au dioxyde de manganèse.
Utilisations des piles au lithium
Le lithium a la plus grande tendance à la cationisation et est le plus léger des métaux. C’est pourquoi les piles au lithium se caractérisent par une tension élevée, un poids léger et une forte densité énergétique. Elles sont largement utilisées comme sources d’énergie internes pour les horloges et la sauvegarde de la mémoire dans une variété d’équipements électriques domestiques tels que les enregistreurs Blu-ray/DVD, les appareils photo numériques, les consoles de jeux, les cuiseurs de riz et les appareils de communication.
Certains types présentent également des caractéristiques de décharge stables, une fiabilité à long terme et une excellente durée de conservation à des températures élevées. Ils sont donc largement utilisés comme sources d’énergie pour des équipements critiques tels que divers compteurs d’eau, d’électricité et de gaz et des compteurs intelligents, des alarmes incendie, des équipements de sécurité et des appareils médicaux.
Principe des piles au lithium
Les piles au lithium utilisent du dioxyde de manganèse, du fluorure de graphite ou du disulfure de fer pour l’électrode positive, du lithium métallique pour l’électrode négative et un électrolyte organique fabriqué par dissolution de sels de lithium dans un solvant organique comme électrolyte
Le lithium métallique de l’anode s’ionise au point de contact avec l’électrolyte, se dissolvant dans l’électrolyte sous forme d’ions lithium. Un électron est généré pour chaque atome de lithium lithié. Les électrons se déplacent ensuite de l’anode à la cathode via un conducteur et les ions lithium via l’électrolyte, provoquant une réaction chimique avec le matériau de la cathode.
Caractéristiques des piles au lithium
Comparées à d’autres piles telles que les piles alcalines, les piles au lithium présentent les caractéristiques suivantes
1. Poids léger et tension élevée
Alors que les piles alcalines ont une tension nominale de 1,5 V, les piles au dioxyde de manganèse, plus couramment utilisées, ont une tension nominale plus élevée de 3 V. La légèreté, la tension élevée, la forte densité énergétique et la possibilité de réduire le nombre de piles nécessaires de deux ou plus à une seule signifient qu’elles peuvent être utilisées dans des appareils plus petits.
2. Faible autodécharge et longue durée de vie
La cathode d’une pile au lithium est un matériau chimiquement stable qui ne se détériore pas facilement et peut conserver plus de 90 % de sa capacité même après 10 ans de stockage.
De plus, une comparaison de la durée de vie des piles dans les équipements nécessitant un courant relativement élevé, par exemple, le matériel photographique, montre que l’on peut s’attendre à ce que les piles au lithium durent environ deux fois plus longtemps que les piles sèches alcalines. Les piles au lithium sont plus chères que les piles sèches, mais la fréquence de remplacement des piles est réduite, ce qui peut être avantageux en termes de coût total dans les équipements nécessitant une consommation de courant élevée.
Toutefois, lorsqu’elles sont utilisées dans des équipements à faible consommation de courant, tels que les calculatrices et les émetteurs de télécommande de télévision, la différence de durée de vie entre les piles au lithium et les piles sèches est faible et ne présente pas d’avantage.
3. Large gamme de températures
Comme l’électrolyte des piles alcalines, telles que les piles sèches largement utilisées, est une solution aqueuse, l’activité de réaction diminue dans les environnements à basse température. Si l’électrolyte gèle, la pile ne fonctionnera pas comme une pile. C’est pourquoi la plage de température de fonctionnement recommandée pour les piles alcalines est de 5°C à 45°C.
Les piles au lithium, en revanche, utilisent un électrolyte organique et ont un point de congélation très bas. Elles sont également relativement stables à des températures élevées : l’énergie peut être extraite sur une large plage de températures. La plage de température de fonctionnement des produits ordinaires est estimée entre -30 et 70°C, et celle des produits résistants à la chaleur entre -40 et 125°C.
En raison de ces caractéristiques, ces piles sont utilisées comme sources d’énergie pour les équipements d’alpinisme dans la neige, les appareils de photographie et d’enregistrement vidéo, etc.
Types de piles au lithium
Les piles au lithium sont généralement des piles primaires qui ne peuvent être ni chargées ni déchargées. Il existe également des piles au lithium rechargeables. Cette section présente chacune d’entre elles.
Piles au lithium primaires
Les piles au lithium primaires disponibles dans le commerce peuvent être classées selon leur forme en trois types : les piles au lithium cylindriques, les piles au lithium en forme de pièce de monnaie et les piles au lithium en forme d’épingle.
1. Piles au lithium cylindriques
Les piles au lithium cylindriques se caractérisent par une faible autodécharge et une puissance élevée. Le fluorure de graphite ou le dioxyde de manganèse est principalement utilisé comme matériau de cathode, tous deux ayant une tension de sortie nominale de 3 V. Le fluorure de graphite a une excellente durée de conservation à long terme et est utilisé comme source d’énergie dans les compteurs intelligents pour le gaz et l’eau. Le dioxyde de manganèse est adapté à la fourniture de courants importants et est utilisé dans les équipements photographiques tels que les appareils photo. Les piles au lithium utilisant le sulfure de fer comme matériau d’électrode positive ont une tension de sortie d’environ 1,5 V et sont vendues en remplacement des piles AA et AAA.
2. Piles au lithium de type pièce de monnaie
Le matériau de l’électrode positive des piles au lithium en forme de pièce est le fluorure de graphite ou le dioxyde de manganèse. Elles se caractérisent par leur finesse et leur compacité et sont utilisées comme source d’énergie de secours pour les fonctions de mémoire et d’horloge dans les produits électriques et les équipements d’information. Elles sont également utilisées dans les systèmes d’entrée sans clé des automobiles et dans les lampes ultra-compactes.
3. Piles au lithium de type pin
Les piles au lithium sont longues, fines et compactes, et le matériau de l’électrode positive est le fluorure de graphite. Leurs principales utilisations sont les flotteurs électriques pour la pêche et les petits émetteurs radio.
Piles au lithium rechargeables
Alors que les piles au lithium ordinaires sont des piles primaires qui ne peuvent pas être rechargées, il existe également des piles secondaires au lithium qui peuvent être rechargées en utilisant un composé tel que le vanadium ou le titane pour l’électrode positive et le lithium métal ou un composé ou alliage de lithium tel que l’aluminium ou le titane pour l’électrode négative, sous la forme d’une pièce de monnaie.
Elles présentent non seulement les mêmes excellentes propriétés que les piles au lithium primaires, mais aussi d’excellentes caractéristiques de cycle de charge-décharge. Elles conviennent aux appareils pour lesquels les piles au lithium ne veulent ou ne peuvent pas être remplacées à mi-parcours. Elles sont par exemple utilisées dans les montres à énergie solaire et les alimentations de secours pour les montres-bracelets.