Qu’est-ce qu’une batterie lithium-ion ?
Une batterie lithium-ion est une batterie rechargeable qui se charge et se décharge grâce aux ions lithium qui se déplacent entre les électrodes positives et négatives.
Elles sont utilisées dans les véhicules électriques, les batteries de stockage industrielles, les smartphones et les ordinateurs portables. Par rapport aux batteries plomb-acide, la tension est plus élevée et la proportion de matière active dans la batterie pouvant stocker de l’énergie est plus faible. Cela présente l’avantage de pouvoir réduire la taille de la batterie par rapport à des batteries ayant le même contenu énergétique.
Les batteries sont des produits qui se détériorent au fur et à mesure qu’elles sont chargées et déchargées de manière répétée, et qui finissent par atteindre la fin de leur vie utile. Les batteries lithium-ion ne font pas exception. En revanche, elles ont une durée de vie plus longue que les autres batteries lors d’essais d’endurance connus sous le nom de tests de cycle.
Utilisations des batteries lithium-ion
Les utilisations typiques des batteries lithium-ion comprennent les secteurs de l’informatique, de l’automobile et de l’énergie.
Les batteries lithium-ion ont une excellente densité énergétique, ce qui signifie qu’il est possible de produire des batteries petites, fines et de grande capacité. Étant donné que des batteries plus petites et plus légères sont nécessaires pour des utilisations telles que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables, les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour répondre à ces demandes.
Elles sont également utilisées comme batteries de moyenne et grande taille pour les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie, en tirant parti de leur capacité électrique élevée.
Structure des batteries lithium-ion
Une batterie lithium-ion est similaire à une batterie d’accumulateurs standard et se compose d’une cathode, d’une anode et de l’électrolyte dans lequel elles sont immergées.
La cathode et l’anode sont séparées par une membrane appelée séparateur. Celle-ci laisse passer les ions lithium mais pas les électrons, et l’espace entre les deux est rempli d’électrolyte. Les ions lithium présents dans l’électrolyte se déplacent de l’électrode positive vers l’électrode négative pendant la charge, générant une différence de potentiel (tension) entre les électrodes négative et positive, qui peut être connectée au circuit souhaité pour générer un courant (décharge).
La charge implique le transfert d’ions lithium de la matière active de l’électrode positive à la matière active de l’électrode négative par l’application d’une tension externe. Après la charge, les ions lithium peuvent à nouveau être transférés dans le sens de la décharge. Cela permet d’utiliser la batterie de manière répétée pour la charger et la décharger.
Autres informations sur les batteries lithium-ion
1. Matériau d’électrode
Les matériaux actifs de la cathode sont principalement des oxydes à base de lithium, tels que l’oxyde de lithium et de cobalt (LCO). Le type de matériau actif de la cathode affecte de manière significative les performances des batteries lithium-ion.
Les matériaux à base de carbone tels que le graphite artificiel, le graphite naturel et le carbone dur sont les principaux matériaux actifs de l’anode. Parmi les matériaux moins couramment utilisés figurent les alliages de silicium (Si) et d’étain (Sn) et les oxydes de lithium tels que le titane (Ti) et le niobium (Nb).
2. Équation de réaction pour la décharge dans les batteries lithium-ion
L’équation de réaction pour la décharge des batteries lithium-ion diffère selon le type d’oxyde métallique et d’autres facteurs, mais un exemple est donné ci-dessous. Lors de la charge, la réaction se produit dans le sens inverse de la décharge, c’est-à-dire du côté droit vers le côté gauche.
- Réaction du côté de la cathode : Li(1-x)MO2 + xLi^(+) + xe^(-) → LiMO2
M est un élément métallique - Réaction du côté de l’anode : LixC → C + xLi^(+) + xe^(-)
- Réaction de l’ensemble du système : Li(1-x)MO2 + LixC → LiMO2 + C
3. Sécurité des batteries lithium-ion
Production de chaleur anormale dans les batteries lithium-ion
Des solvants organiques carbonatés hautement inflammables sont utilisés dans l’électrolyte des batteries lithium-ion. Par conséquent, une élévation anormale et excessive de la température dans une batterie lithium-ion peut provoquer un accident entraînant une inflammation ou une explosion.
La plupart des échauffements anormaux sont causés par un court-circuit entre les électrodes. Les courts-circuits entre les électrodes peuvent être causés par divers facteurs, notamment des chocs externes violents et la précipitation de lithium métal dans les électrodes (dendrites de lithium). Les accidents impliquant l’allumage de batteries lithium-ion peuvent se produire non seulement à la suite d’une mauvaise manipulation, mais aussi lors d’une utilisation normale, c’est pourquoi il convient d’être prudent.
Comment prévenir les accidents d’allumage des batteries lithium-ion ?
La majorité des accidents d’allumage causés par les batteries lithium-ion sont dus à une mauvaise utilisation. Il est donc nécessaire de comprendre comment manipuler correctement les batteries lithium-ion afin d’éviter les accidents d’allumage. Les précautions spécifiques sont les suivantes :
- Utilisez toujours le chargeur spécifié par le fabricant lors de la charge.
- Si vous remarquez quelque chose d’inhabituel pendant la charge, arrêtez immédiatement d’utiliser la batterie et consultez le fabricant ou le distributeur.
- Si la batterie lithium-ion gonfle ou dégage une odeur anormale, cessez de l’utiliser et remplacez-la par une neuve. Il est également important de ne pas démonter ou remplacer de force la batterie lithium-ion. Elle est en effet difficile à remplacer dans certains produits et n’est pas recommandée.
Il est également important de choisir des produits dont la sécurité est garantie. Les produits qui ont satisfait aux normes de sécurité nationales portent la marque PSE, une indication de sécurité.