La batterie au lithium, jusqu'où ira-t-elle ?

Les batteries Lithium-ion, jusqu’où iront-elles ?

3 Janvier 2011

Les industriels de l’automobile fondent aujourd’hui de grands espoirs sur la technologie Lithium-ion pour les batteries des futurs véhicules électriques. C’est une technologie en voie de maturité qui semble pouvoir satisfaire les exigences du cahier des charges sévère imposé par les constructeurs.

Aujourd’hui l’état de l’art permet d’industrialiser des batteries au lithium dont la capacité massique est de 100 Wh/Kg environ. C’est trois fois mieux que nos vieux accus au plomb, mais c’est encore insuffisant pour donner à la voiture électrique une autonomie suffisante.

Est-il possible de faire mieux ?

Voyons d’abord ce que permet la théorie:

Le principe de la batterie au Lithium consiste à stocker des ions lithium (Li+) à l’intérieur de la charpente moléculaire d’un matériau spécial qui est un phosphate de fer à structure d’olivine. Il «　suffit　» ensuite de récupérer ces ions pour avoir du courant.

La matériau de stockage a été sélectionné à pour la structure spatiale de ses molécules qui ménage de l’espace pour y introduire un ion, un sorte de petite poche bien commode pour notre affaire. Les ions en question sont fournis par du Lithium, qui est le plus léger des métaux. Les ions une fois introduit dans la structure peuvent en être retiré évidemment par la réaction inverse, sinon on ne pourrait pas faire une batterie.

Ce matériau, qui sera l’électrode positive, est un phosphate de fer FeO4 .

Le produit final étant LiFePO4.

Note:

Ce procédé est déjà utilisé depuis quelques années, mais avec du Cobalt à la place du fer. Le Cobalt est trop cher et entraîne des risques d’explosions, le Fer est un peu moins performant mais plus sûr.

Une électrode négative (carbone) et un électrolyte convenable permettent de constituer la batterie.

Pour connaître la capacité théorique de la batterie il faut connaître le nombre maximum d’ions Li+ que l’électrode FePO4 peut absorber. On fait le calcul pour 1 g de matériau électrochimiquement actif.

La masse molaire de LiFePO4 est 152 g.

Dans 1g de matériau il y a donc 152 / 6,02.10E23 = 4.10E21 molécules.

On fait l’hypothèse que chaque molécule peut fixer un ion Li+, la quantité d’électricité stockable dans 1g est donc:

4.10E21 x 1,6.10^E-19 c = 640 coulomb.

La tension de service d’une cellule au Lithium est environ 3,3 V.

L’énergie stockée est donc:

640 x 3,3 = 2 112 Joule, soit 0,586 Wh/g

( 1 Wh = 3 600 J )

La valeur théorique de la capacité massique énergétique de notre batterie est donc de 586 Wh/Kg.

Aujourd’hui cette capacité est limitée à 100 Wh/Kg, il y a donc de belles perspectives de progrès.

Eu égard aux formidables enjeux de la bataille pour les batteries, tous les laboratoires spécialisés du monde entier travaillent nuit et jour à l’amélioration de ce concept, les dépôts de brevets sont nombreux car les droits d’exploitation seront extraordinaires.

Les nanomatériaux sont en première ligne car les rendements énergétiques sont directement liés aux surfaces de réactions.

Pour plus de détails, voir:

http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/36/22/17/PDF/T0709.pdf   

Nous suivrons bien sûr les progrès de cette technologie, qui conditionne le succès de la voiture électrique.