Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériaux qui pose des problèmes de sécurité), et la technologie lithium ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive.
Les accumulateurs lithium polymère remplacent souvent les accumulateurs lithium-ion, ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.
La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication, indépendamment du nombre de cycles de charges.
| Batteries specifications | |
|---|---|
| Énergie/Poids | 160 Wh/Kg |
| Énergie/Volume | 270 Wh/L |
| Rendement charge-décharge | 99.9 % |
| Énergie/Prix publique | Wh/€ |
| Auto-décharge | 5% à 10% /mois |
| Durée de vie | 24 à 36 mois |
| Nombre de cycle de charge | 1200 cycles |
| Tension nominale | 3.6 ou 3.7 V |
Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium-ion occupe aujourd'hui une place prédominante sur le marché de l'électronique portable. Ses principaux avantages sont une densité d'énergie spécifique et volumique élevée (4 à 5 fois plus que le Ni-MH par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire (aucun ou presque). Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille.
La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié et une électrode négative en graphite. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.
La tension d’un élément Li-Ion est de 3,6 V. Cette équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH est très intéressante car elle permet dans certains cas de faire une substitution pure et simple, du Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique. De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, en particulier lors de la charge.
Ce problème de sécurité impose d'intégrer un système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium. (Il empêche une charge ou décharge trop profonde : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément).
Les courants de charge et de décharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Enfin, un autre défaut : les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation. Quel que soit le nombre de charges/décharges, leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ 2 ou 3 ans après fabrication.
Notons cependant qu'il existe des accumulateurs Li-Ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) qui ne sont pas touchés par ce vieillissement, grâce à une chimie plus travaillée et une gestion électronique poussée. Ces éléments peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, voitures hybrides, systèmes de secours). Cependant l'utilisation de la technologie Li-Ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.
Le lithium commence à apparaître sous de nouvelles versions: Le lithium-ion polymère (Li-po, encore très chère cette version peut être très fine et prendre toutes les formes), et le lithium-phosphate (qui possède une sécurité améliorée pour un coût plus faible). Deux technologies à suivre...
Pour éviter les problèmes, ces batteries sont généralement équipées d'un circuit de protection, d'un fusible thermique et d'une soupape de décharge. Elle doivent être chargées en respectant des paramètres très précis et ne jamais être déchargées en-dessous de 2,5 V par élément.
Appellation commerciale du Li-ion polymère où l'électrolyte est un polymère gélifié.
Attention certaines batteries Li-Po sont vendues sans circuit de protection et doivent donc être manipulées avec une grande précaution.
La batterie Li-Po utilise une chimie semblable aux batteries Li-ion et a des caractéristiques proches mais possèdent tout de même quelques différences.
Des batteries Lithium polymère sont couramment utilisé pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits volants.
Leur tension vont de 6 V à plus de 10 V en fonction de la taille de l'aéronef.
La pile lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (jusqu'à 5000 Wh/kg). Cela est dû au fait d'une part que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans la pile (comme dans la plupart des piles à air), mais surtout à la faible masse atomique et aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène. Délivrant une tension de 3,4 V, elle présente toutefois certains inconvénients : corrosion, nécessité de filtres (exige un air très pur) et faible puissance spécifique (100 W/kg). Si les piles sont déjà commercialisées depuis plusieurs années (en particulier pour les piles d'appareils auditifs), les premiers modèles rechargeables sont récents. La recherche reste donc très active dans ce domaine.
Cette version, plus récente, a une tension un peu plus faible (~3.3V) mais se veut plus sûre, moins toxique et d'un coût moins élevé. En effet, le prix des batteries lithium ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode, qui contient du cobalt et/ou du nickel, métaux très chers.
Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de 30kWh de batteries), une baisse de prix est impérative. Le coût d'une batterie Li-ion standard et en effet de plus de 1000€ / kWh et devrait être abaissé sous 500€ / kWh pour atteindre ce marché.
Dans une batterie Lithium à technologie phosphate, les cathodes standard (LiCoxNiyAlzO2) sont remplacées par le phosphate de fer LiFePO4, matériau peu cher, car ne contenant pas de métaux rares, et de plus non toxique contrairement au cobalt. En outre cette cathode est très stable et ne relache pas d'oxygène (responsable des explosions et feux de batteries Li-ion) la rendant plus sûre.
Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie à long terme à des températures élevées, car il semblerait que la dissolution du fer (favorisé par la température) nuise à la cyclabilité de cette batterie.
On peut trouver plus d'informations auprès du fabricant (en).
Elle se présente sous forme d'un film mince enroulé. Ce film d'une épaisseur de l'ordre d'une centaine de micromètre (un millionième de mètre), est composé de 5 couches :
La densité massique est de 110 Wh/kg. Pour comparaison Elle contient presque 3 fois plus d'énergie que les batteries au plomb (~40 Wh/kg) à poids égale car la structure en film mince est légère et maximise la surface de stockage utile d'énergie.
Il n'y a pas d'effet mémoire, on n'a donc pas besoin de vider complètement l'accumulateur avant de la recharger.
Durée de vie annoncée de l'ordre de 10 ans.
Pour un fonctionnement optimal, l'électrolyte a besoin d'être maintenu à une température autour de 85°C.
Il n'y a aucun liquide dans ce genre d'accumulateur. Faible auto-décharge. Mais faibles puissances, et contrainte de fonctionnement à température élevée.
Pas de polluant majeur dans la composition de l'accumulateur (sauf si utilisation d'oxyde de vanadium).
Les batteries LMP étaient en développement chez deux sociétés : BatScap (Ergué-Gabéric, France) et Avestor (Boucherville, Québec). Cette dernière ayant été rachetée le 6 mars 2007 par le groupe français Bolloré (propriétaire à 95% de BatScap), BatScap est désormais la seule société au monde à développer cette technologie, en prévision d'une implantation sur le véhicule électrique du groupe : la BlueCar.