Batterie Lithium-ion

La batterie Lithium-ion utilise la propriété du Lithium en tant que composé hautement réducteur (en savoir plus sur le lithium). Les ions positifs Li+ migrent d’une électrode à l’autre tel que shématisé ci-dessous:

La différence entre la technologie Lithium-métal et Lithium-ion, lancée par l’industrie japonaise en 1992, se situe dans l’utilisation, pour le Lithium-ion, d’une électrode négative à base de carbone ou d’autres matériaux facilitant la résidence réversible (*) des ions lithium.

La technologie litium-ion voit donc une évolution de sa performance dans la composition des électrodes. Une électrode participe à cette performance (en savoir plus sur les critères et principes de performance) selon deux critères; sa capacité à l’intercalation et la stabilité (non-dégradation au cours de la réaction électrochimique).

Dans ce cas précis l’intercalation est la capacité pour l’électrode à accueillir les ions positifs au sein de sa structure atomique. L’introduction d’électrodes en silicium a permis de décupler cette intercalation comparativement au carbone. Cependant le phénomène d’intercalation s’accompagne d’une modification volumétrique provoquant la dégradation des électrodes. Les tentatives de modification de la souplesse (facilitant l’expansion du volume) de ces matériaux ont cependant eu des répercussions sur la conductivité et le débit des échanges chimiques diminuant ainsi la performance des batteries. Une nouvelle direction est alors donnée à l’étude de la composition des électrodes; il s’agit de la nanotechnologie.

Les apports de la nanotechnologie sont multiples;
- plus grande stabilité des cycles de vie des éléments chimiques au niveau atomique; l’utilisation de particules suffisamment petite permet de mieux contrôler les flux et leur impacts sur les structures réceptrices
- réduction de la longueur du trajet des particules augmentant ainsi la vitesse relative d’échange entre les électrodes
- augmentation de la surface active d’échange entre l’électrode et les particules chargées

Ce dernier point a cependant un effet secondaire; l’augmentation de la réaction chimique entre électrode et particules augmentant leur dégradation et réduisant ainsi la cyclabilité de la batterie. Des études sont actuellement menées afin de produire des composés électrochimiques actifs et performant dans les échanges électrochimiques tout en étant stables chimiquement vis à vis de ces effets secondaires.

Les diverses champs de développement en terme de nano-architectures dans le domaine des batteries sont;

- les films fin tridimensionnels – cela permet une augmentation de la surface active d’échange électrochimique entre particules et électrodes
- les électrodes interdigitées – cela consiste à micro-grouper les pôles d’électrodes négatives et positives de façon à multiplier les surfaces d’échange actives
- électrodes concentriques – utilisant le même type d’optimisation que les électrodes interdigitées un pole d’électrode est ici entouré de l’autre pole afin d’augmenter la surface active d’échange
- Opal Inverse – Dans cette architecture des murs tres fins entourent des cavités interconnectées tres proches les unes des autres

- les nanotubes et nanofils – ils permettent de réduire la distance d’échange active, de réduire la dégradabilité des électrodes et d’augmenter la capacité d’accueil des ions
- les électrodes apériodiques – cette structure assymétrique permet l’obtention de courant ayant des densités plus stables. De plus leur porosité permettent une grande surface d’échange active

Il est souvent admis que la technologie Lithium arrive cependant à maturité et il est peu probable que son évolution permette une montée en puissance suffisante pour réellement répondre à elle seule aux besoins de la voiture électrique, par exemple. Lien Article – Le futur inéluctable du transport électrique

Le domaine d’avenir concernant l’utilisation du Lithium pour le transport est le vélo électrique. Lien – Dossier sur le vélo électrique

La réversibilité en chimie est une notion importante liée à la thermodynamique. Une réaction chimique réversible a la capacité d’être déroulée en sens inverse. Par exemple si une réaction chimique dégage de la chaleur dans un sens on pourra obtenir sa réaction inverse en injectant de la chaleur. En électrochimie la réversibilité permet de “recharger” les batteries.