Elles sont dans la plupart de vos appareils high-tech rechargeables (smartphones, tablettes, ordinateurs portables, enceintes, casques, etc.), ce qui rend les batteries Lithium-Ion incontournables dans notre monde technologique. Mais comment fonctionnent-elles ? Quelle est la différence avec les piles ? Nos réponses à ces questions.
Il ne faut pas confondre pile, accumulateur et batterie
Le premier appareil qui est apparu est la pile, inventée en 1800 par le comte Alessandro Volta en empilant des disques de zinc, de cuivre et de feutre, d’où le nom de pile. Le principe de base de la pile est de transformer de l’énergie chimique en énergie électrique (circulation d’électrons) grâce à une réaction d’oxydoréduction. Pour cela, la pile dispose de deux électrodes, appelées anode (-) et cathode (+), ainsi que d’un liquide, d’une pâte ou d’un gel électrolytique qui provoque la réaction. Lorsque la pile est branchée, l’oxydation de l’anode libère des électrons qui circulent pour être ensuite capturés par la réaction de réduction au niveau de la cathode. Par exemple, dans la pile Daniell (1836) ci-dessous, l’anode en zinc perd des électrons qui sont récupérés par la cathode en cuivre.
Ce principe est toujours valable dans les piles alcalines actuelles. Le problème est qu’une fois la réaction complètement terminée, la pile ne délivre plus de courant et ne peut pas servir à nouveau car le processus est difficilement réversible. Le concept de pile rechargeable est donc un abus de langage. Les chercheurs ont par conséquent fait évoluer la technologie vers des appareils réutilisables appelés accumulateurs. Les accumulateurs sont capables de délivrer du courant mais la réaction peut être inversée lors de leur recharge. En associant plusieurs accumulateurs entre eux, on obtient une batterie. Avant leur utilisation dans les appareils high-tech, le terme de batterie était déjà connu à cause de son emploi dans les voitures (voir la vidéo ci-dessous).
Le fonctionnement d’une batterie Lithium-Ion
Le Lithium est un métal dont les atomes sont composés, entre autres éléments, de trois électrons et de trois protons. Il possède la caractéristique de céder facilement un électron. Il devient alors un ion, d’où le terme Lithium-Ion. La batterie comporte un ou plusieurs accumulateurs, appelés cellules, dotés chacun de deux électrodes. Dans de nombreux modèles, la cathode est faite d’oxyde de Cobalt (CoO2), avec un peu de Lithium, tandis que l’anode est faite de graphite. L’électrolyte contient pour sa part des ions Lithium en grande quantité. La première charge des cellules est réalisée par le fabricant de la batterie car elle amorce le processus et fait s’accumuler les ions Lithium dans l’anode, créant ainsi une différence de potentiel entre la cathode et l’anode.
Lorsqu’on branche la batterie sur un appareil, cela entraîne un déplacement des électrons à cause de la différence de potentiel. Les électrons passent de l’anode à la cathode par le circuit externe, par exemple les différents composants d’un smartphone qui sont alors alimentés. De leur côté, les ions de Lithium chargés positivement quittent l’anode pour retourner à la cathode car ils sont attirés par les charges négatives des électrons.
L’opération de charge consiste à faire repartir les électrons dans le sens inverse, c’est-à-dire de la cathode vers l’anode. On utilise pour cela un chargeur extérieur qui est connecté à la batterie. En conséquence, les ions de Lithium passent de la cathode vers l’anode pour équilibrer la charge électrique. Quand tous les ions sont passés, la batterie est complètement chargée.
Pendant la durée de vie de la batterie, les ions de Lithium vont donc faire des aller-retour dans l’électrolyte, entre l’anode et la cathode, comme le montre la vidéo ci-dessous.
Est-ce que la technologie Lithium-Ion va évoluer ?
Avec une plus grande tension et un meilleur rapport capacité/volume, la technologie Lithium-Ion a constitué une avancée importante par rapport aux technologies NiMH et NiCd qui l’ont précédée. En particulier, le Lithium-Ion a permis d’éliminer l’effet mémoire qui posait des problèmes avec le NiMH et le NiCd : si la batterie n’était chargée que partiellement, elle n’était plus capable de retrouver par la suite la totalité de sa charge.
La technologie Lithium-Ion peut-elle encore évoluer ? Nous avons posé la question à Camille Feraud, co-fondateur de la société Atomique Batteries. Pour cet ingénieur électro-chimiste, le choix du Lithium est excellent et il sera difficile de faire mieux en utilisant un autre élément chimique. Par exemple le Sodium peut faire l’affaire mais les cellules Sodium-Ion, en théorie nettement moins coûteuses à la fabrication, sont moins performantes que celles en Lithium-Ion. En revanche, il est possible d’améliorer la technologie existante avec deux pistes de recherche :
- Associer le Lithium à un autre matériau dans la cathode pour augmenter la tension des cellules de la batterie, et ainsi sa puissance (puissance en Wh = capacité en Ah multiplié par tension en V). Le couple idéal est le Lithium/Fluor mais les chercheurs misent aussi sur le Lithium/Oxygène dans le cadre de la technologie Lithium-Air.
- Ajouter quelques microgrammes de graphène sur l’anode et la cathode pour augmenter de quelques pourcents la densité d’énergie des cellules. C’est la voie choisie par le constructeur de voitures électriques Tesla dans sa Gigafactory. Quelques pourcents de densité d’énergie en plus sur une cellule permettent au final de gagner 50 km d’autonomie sur une voiture contenant plus de 7000 cellules.
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