Batteries aux ions lithium

Qu’est-ce que les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les voitures électriques ont en communs? Un système de stockage d’énergie portatifs, bien sûr! Étonnamment, il n’y a de ça que 25 ans (1991) que Sony Corporation annonçait un nouveau produit innovateur : la batterie aux ions lithium (LIB). Le principe de ce système de stockage d’énergie est basé sur l’échange réversible d’’ions lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié et une électrode négative en graphite. Récemment, les LIBs ont été utilisées comme source de courant pour les voitures électriques. Cependant, afin de pénétrer le marché de masse, une réduction significative des coûts et davantage d’améliorations de la performance des batteries sont nécessaires pour obtenir des véhicules électriques avec de plus longues autonomies de route. Pour  une distance de 500 km, une énergie spécifique de 300-400 Wh/kg est nécessaire, ce qui est ~2,5 fois plus d’énergie que ce que les LIBs peuvent stocker actuellement! Regardons donc les défis qui ralentissent la commercialisation en masse des voitures électriques, et les batteries aux ions lithium présentement utilisées par de grands manufacturiers (Tesla, BMW, Nissan, Chevrolet, etc.).

Les batteries aux ions lithium actuelles ont plusieurs carences qui, si elles étaient corrigées avec soucis de facilité de production et des coûts appropriés, permettraient de disposer de LIBs supérieures qui ouvriraient de nouvelles applications et élargiraient le marché des batteries actuelles. Les principaux axes de recherches sont présentement les matériaux d’électrodes négative (anode) et positive (cathode). Les problèmes majeurs des matériaux d’électrodes sont leur faible capacité spécifique (quantité de charge électrique pouvant être fournit à une tension nominale), et dans le cas des matériaux cathodiques leur limite de potentiel. Le développement de nouveaux matériaux s’imposent afin de permettre une efficacité coulombique élevée (l’efficacité avec laquelle les électrons sont transférés dans le système), une faible capacité irréversible et un faible coût avec une perte de capacité spécifique ou de tension de cellule faible. De plus, plusieurs études sont effectuées afin de protéger l’interface électrode-électrolyte des réactions secondaires qui augmentent la résistance de la batterie avec le processus répétitifs de charge/décharge, ou qui changent la structure des électrodes durant la lithiation. Les séparateurs et les électrolytes sont aussi des secteurs de recherches très actifs pour améliorer les LIBs.

Quand est-il des batteries des voitures électriques (VE) actuelles? Les modèles les plus connus, comme les Tesla modèles S et X, ainsi que la BMW i3 et la Nissan Leaf permettent respectivement 334 à 508, 130 et 135 km d’autonomie de route. Les voitures hybrides rechargeables (VHR), quant à elles se situent entre 22 et 80 km d’autonomie de route en utilisation seule de l’énergie électrique. De toute évidence, il n’y a pas de consensus parmi les fabricants de véhicules électriques ou hybrides sur la gamme acceptable d’autonomie. Par contre, il semble que les consommateurs qui sont intéressés par l’électrification de leur moyen de transport préfèrent aller directement aux VEs plutôt que les VHRs. Ce choix du consommateur a un puissant effet sur le volume de LIBs produites et augmente la pression sur les fabricants de batteries pour réduire le coût par kWh et pour augmenter l’énergie spécifique de leurs produits. L’amélioration de ces facteurs augmenterait éventuellement la quantité de consommateurs portés à effectuer le changement vers un véhicule électrique ou hybride.

Il y a de ça plus de 25 ans que les LIBs ont fait leur début dans le marché de l’énergie, et depuis de progrès remarquables en matière de capacité, d’énergie de puissance et de coûts sont survenus. Malgré tout, plusieurs problématiques freinent l’entré en masse des LIBs pour l’électromobilité, et c’est pourquoi certaines alternatives comme les piles à combustibles (véhicules à hydrogène) leur font de la compétition. Reste également à évaluer si l’impact environnemental de la production de batteries au lithium, le transport de celles-ci et leur rejet à la fin de leur utilisation est plus raisonnable par rapport aux véhicules à combustibles traditionnels… À suivre! ■

article par Valérie Charbonneau

Sources:

Blomgren, G. E. (2017). The Development and Future of Lithium Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 164(1), A5019–A5025.

Jung, R., Metzger, M., Maglia, F., Stinner, C., & Gasteiger, H. A. (2017). Chemical versus Electrochemical Electrolyte Oxidation on NMC111, NMC622, NMC811, LNMO, and Conductive Carbon. The Journal of Physical Chemistry Letters, 8, 4820–4825. 

Pillot, C. (2015). The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2025. 32nd International Battery Seminar and Exhibit, Présentation.

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