Batterie Lithium-Ion (LI-ION)

Batterie d'accumulateur utilisant le lithium sous forme ionique

Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion (Li-Ion) ?

 

Une batterie lithium-ion (ou Li-Ion) est une batterie rechargeable dont le fonctionnement repose sur l'échange d'ions lithium entre deux électrodes. On parle aussi d'accumulateur lithium-ion (ou accumulateur Li-Ion) lorsque la batterie est composée de plusieurs cellules.

Offrant de nombreux avantages, les batteries Li-Ion font désormais partie de notre quotidien. En effet, elles sont utilisées comme source d'énergie sur de nombreux appareils électroniques ou électroportatifs mobiles (smartphones, ordinateurs portables, aspirateurs...). Elles équipent par ailleurs les véhicules hybrides et électriques.

 

Les spécificités d'une batterie lithium-ion (Li-Ion)

Les batteries lithium-ion sont des batteries rechargeables :

· elles se déchargent à l'utilisation de l'équipement qu'elles alimentent en électricité ;

· elles se rechargent en énergie lorsqu’elles sont branchées sur une prise électrique à l'aide d'un chargeur.

Comme toutes les batteries, elles exploitent le principe électro-chimique de circulation d'ions entre deux électrodes : l'une positive (la cathode), et l'autre négative (l’anode).

L'échange d’atomes chargés positivement (les ions) s'effectue à travers un liquide conducteur nommé électrolyte. En circulant entre les deux électrodes, les ions permettent de décharger la batterie en fournissant de l’électricité, ou de la recharger, selon le procédé inverse.

Selon leur technologie, les batteries utilisent des matériaux différents. À la différence d’une batterie au plomb utilisée pour le démarrage des moteurs à combustion interne (diesel, essence...), une batterie au lithium-ion utilise ainsi des ions de Lithium (Li+) pour produire de l’énergie. Ainsi, on trouve aujourd'hui une large diversité de batteries aux caractéristiques propres et adaptées à des usages différents : batteries au plomb, au lithium-ion (Li-Ion), au nickel-cadmium (Ni-Cd)...

Dans une batterie Li-On, l'électrode positive est souvent constituée d'un oxyde de métal qui peut être du dioxyde de cobalt et de lithium pour les batteries lithium-oxyde de cobalt ou du dioxyde de manganèse. L'électrode négative est généralement composée de graphite.

En phase de décharge, les ions-lithium (Li+) se détachent de l'électrode en graphite et se déplacent à travers l'électrolyte pour aller vers l'électrode positive. En phase de charge, c'est l’inverse : les ions Li+ se dégagent de l'électrode positive pour retrouver l'électrode en graphite.

 

Exemples et mise en pratique

Avantages des batteries au lithium-ion

Les atouts des batteries au lithium-ion (Li-Ion) sont multiples et font de cette technologie l’une des plus attractives à ce jour :

· plus efficaces à la charge, elles peuvent être rechargées plus rapidement ;

· dotées d'une forte densité énergétique, elles offrent une bonne autonomie d'utilisation tout en étant légères ;

· leur durée de vie est relativement élevée, avec une perte d'efficacité modérée dans le temps ;

· relativement faciles à produire, elles présentent un coût abordable au regard de leurs nombreux avantages.

Voilà pourquoi les batteries Li-Ion sont largement présentes aujourd’hui dans tous nos équipements du quotidien (smartphones, ordinateurs portables, appareils électroménagers...).

 

Inconvénients des batteries Li-Ion

Le gros point faible des batteries Li-Ion est leur dangerosité. En effet, elles peuvent exploser soudainement en cas de surcharge et provoquer des dommages matériels, voire des incendies.

Pour sécuriser leur utilisation, une gestion électronique est nécessaire pour contrôler leur fonctionnement et couper les circuits en cas d'anomalie (surcharge, sur-tension, augmentation de température...). Cette gestion des batteries Li-Ion s'effectue par le biais de composants électroniques nommés Battery Management System (ou BMS).

Les batteries Li-Ion sont par ailleurs sensibles aux chocs et aux percements qui les rendent inflammables. Cette technologie performante peut donc s'avérer dangereuse en cas de mauvaise utilisation : ce qui restreint leur usage et oblige à prendre des précautions particulières pour leur stockage et leur transport.

 

Les batteries lithium-ion (Li-Ion) en chiffres

Une production en forte croissance

La production de batterie Lithium-Ion représente un fort enjeu pour la fabrication de véhicules électriques actuellement en plein essor. Dans ce domaine, les pays asiatiques dominent le marché avec :

· Panasonic, partenaire japonais de l’américain Tesla, situé au 1 er rang mondial de la fabrication de cellules pour batteries, malgré un net recul ;

• Les entreprises chinoises CATL (au 2e rang mondial) et BYD (au 3e rang) ;
• Les Coréens LG Chem (au 4e rang), Samsung SDI (au 5 e rang), et SK Innovation.

Aux Etats-Unis, la Gigafactory 1 du Groupe Tesla produit près de 35 GWh/an. L’entreprise prévoit la construction de plusieurs autres giga-fabriques pour accélérer la production des batteries dans les années à venir.

Pour l’approvisionnement du marché européen et français, la tendance est à l’implantation de fabricants asiatiques en Europe. On note par ailleurs l’émergence de plusieurs Gigafactories sur le territoire européen comme :

· Le projet Northvolt développé en Suède et soutenu par l’Union européenne ;

· Et plusieurs Giga-fabriques en cours de développement en France avec les constructeurs Stellantis (à Douvrin), Renault (à Douai), ou de manière indépendante, la start-up Verkor installée à Grenoble.

 

Des coûts de fabrication en baisse constante

Dans un rapport sur le prix des packs batteries réalisé en 2020, l’institut de recherche en stratégie Bloomberg NEF indique que les coûts de production sont passés en dix ans (de 2010 à 2020) de plus de 1000 dollars/kWh à un peu plus de 100 dollars/kWh. L’adoption de batteries au lithium métal pourrait permettre une réduction des coûts actuels de 40 % dans les 10 années à venir.

 

Bases réglementaires

Considérées comme des marchandises dangereuses, les piles et batteries au lithium sous forme ionique sont soumises à une réglementation stricte en matière de stockage et de transport, et ce partout dans le monde.

Différentes mesures sont alors appliquées selon les modes de transport utilisés : transport routier, ferroviaire, fluvial, maritime ou aérien.

Il convient en particulier :

· de connaître et prévenir les risques liés à la présence de batteries au lithium à bord des véhicules de transport de marchandises ;

· d’identifier les signes indiquant un incendie provoqué par une batterie au lithium ;

· de savoir réagir de façon adaptée lors d’un tel événement.

La réglementation en matière de transport varie selon la puissance et la nature des batteries au lithium prises en charge.

Avant toute 1re expédition, les piles au lithium sont soumises à des tests à des fins de classement. Lors de leur enlèvement et de leur affrètement, elles doivent ensuite être emballées et les colis étiquetés en conséquence.