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La batterie lithium-ion
Dans une batterie lithium-ion, des ions lithium passent d’une électrode à l’autre lors de la charge et de la décharge. Commercialisée par Sony en 1991, elle équipe téléphones, ordinateurs et voitures électriques.
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La batterie lithium-ion a rendu possible l’électronique portable, puis la voiture électrique et le stockage de l’électricité sur les réseaux. Légère, efficace, rechargeable des centaines ou des milliers de fois, elle a valu le prix Nobel de chimie 2019 à ses trois principaux inventeurs.
Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?
Une cellule comporte quatre éléments :
| Élément | Rôle | Matériau courant |
|---|---|---|
| électrode négative (anode en décharge) | stocke le lithium quand la batterie est chargée | graphite |
| électrode positive (cathode en décharge) | accueille le lithium quand la batterie se décharge | oxydes métalliques (nickel, manganèse, cobalt) ou phosphate de fer |
| électrolyte | laisse passer les ions mais pas les électrons | sel de lithium dans un solvant organique |
| séparateur | empêche le contact direct des électrodes | film plastique microporeux |
En décharge, les ions lithium quittent le graphite et traversent l’électrolyte vers l’électrode positive ; dans le même temps, les électrons font le tour par le circuit extérieur et alimentent l’appareil. En charge, le chargeur force le mouvement inverse. Il s’agit d’une réaction d'oxydoréduction réversible : le lithium n’est jamais présent sous forme de métal, il s’insère dans les électrodes comme dans les rayonnages d’une bibliothèque.
Une histoire en dates
| Date | Étape |
|---|---|
| années 1970 | Stanley Whittingham conçoit une batterie au lithium à cathode de disulfure de titane, trop instable |
| 1980 | John Goodenough découvre la cathode d’oxyde de cobalt et de lithium, qui double la tension |
| 1985 | Akira Yoshino réalise le premier prototype sûr, avec une anode en carbone |
| 1991 | Sony commercialise la première batterie lithium-ion |
| 1996-1997 | l’équipe de Goodenough identifie le phosphate de fer lithié (LFP) |
| 2008-2012 | premières voitures électriques modernes à batterie lithium-ion |
| 2019 | prix Nobel de chimie à Goodenough, Whittingham et Yoshino |
Les principales chimies
| Chimie | Atouts | Limites | Usage |
|---|---|---|---|
| NMC (nickel-manganèse-cobalt) | grande densité d’énergie, autonomie | cobalt et nickel coûteux, moins stable thermiquement | voitures électriques |
| LFP (lithium-fer-phosphate) | sûre, longue durée de vie, sans cobalt ni nickel, moins chère | plus lourde à énergie égale | voitures, bus, stockage réseau |
| LCO (oxyde de cobalt) | compacte | durée de vie plus courte | téléphones, ordinateurs |
| sodium-ion (alternative) | sans lithium, matériaux abondants | densité d’énergie plus faible | en développement |
Une cellule actuelle stocke environ 150 à 300 Wh par kilogramme, contre 30 à 40 Wh/kg pour une batterie au plomb. Le prix des packs de batteries est passé d’environ 1 100 dollars par kWh en 2010 à un peu plus de 100 dollars au milieu des années 2020.
Durée de vie et bons usages
Une batterie s’use avec le nombre de cycles et avec le temps. On considère souvent qu’elle est en fin de vie pour un usage donné lorsqu’elle a perdu 20 à 30 % de sa capacité initiale. Les batteries LFP supportent plusieurs milliers de cycles.
Sécurité
En cas de choc, de surcharge, de défaut de fabrication ou de surchauffe, une cellule peut entrer en emballement thermique : la réaction s’auto-entretient, la batterie dégage des gaz inflammables et toxiques et peut prendre feu. Ces incendies sont difficiles à éteindre.
Matières premières et recyclage
Les batteries nécessitent du lithium (Australie, Chili, Argentine, Chine), du graphite, et selon la chimie du nickel, du cobalt (principalement de République démocratique du Congo) et du manganèse. Leur extraction pose des questions environnementales et sociales. La Chine domine largement le raffinage et la fabrication des cellules. Le recyclage permet de récupérer la plupart des métaux ; un règlement européen de 2023 impose des taux minimaux de collecte, de recyclage et de matière recyclée dans les nouvelles batteries.
Questions fréquentes
Faut-il attendre qu’une batterie lithium-ion soit vide pour la recharger ?
Non. Contrairement aux anciennes batteries nickel-cadmium, elles n’ont pas d'« effet mémoire ». Les recharges partielles fréquentes leur conviennent mieux que les décharges complètes.
Combien de temps dure une batterie de téléphone ?
En général deux à quatre ans d’usage quotidien avant une baisse nettement perceptible de l’autonomie, selon le nombre de cycles, la chaleur et les habitudes de charge.
Qu’est-ce qu’une batterie solide ?
C’est une batterie dont l’électrolyte liquide est remplacé par un électrolyte solide, plus sûr et compatible avec une anode en lithium métal, pour une densité d’énergie supérieure. Elle est en cours de développement industriel.