Wikimedia Commons
Le premier accumulateur au lithium a été développé en laboratoire, en 1980, par John Goodenough et Koichi Mizushima (Oxford University, England). Ils mirent au point un accumulateur au lithium de 4 V avec une électrode positive au LiCoO2 et une électrode négative au lithium métallique.
En 1991, un accumulateur lithium-ion a été commercialisé pour la première fois par Sony. Depuis elle a connu un développement fulgurant de sorte qu’elle occupe aujourd'hui une place prédominante sur les marchés de l'électronique portable ainsi que de l’électromobilité (voiture et bus électriques, tram).
C’est grâce à des accumulateurs lithium-ion que le tram de Luxembourg peur circuler sans ligne aérienne de contact.
Les principaux avantages de l’accumulateur lithium-ion sont une énergie massique (énergie stockée par kg) élevée ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs.
Photo (gauche) : Exemple d’un accumulateur Nokia Li-ion, alimentant de nombreux portables
Photo (droite) : Figure 1 Bloc d’accumulateurs lithium-ion de la voiture électrique Nissan LEAF
Comment fonctionne l’accumulateur lithium-ion ?
Tout accumulateur chargé, de même que toute pile, possède deux pôles électriques différents : un pôle positif (défaut d’électrons) et un pôle négatif (excès d’électrons). Il existe donc une tension électrique entre leurs pôles et ils contiennent de l’énergie. Cette énergie se trouve emmagasinée dans les matériaux qui les constituent. On l’appelle énergie chimique car elle est due à des liaisons chimiques entre les atomes qui constituent ces matériaux.
Le principe de fonctionnement d’une pile ou d’accumulateur est le suivant : Lorsqu’on relie les deux pôles par un conducteur un courant électrique (continu) prend naissance dans ce conducteur. L’énergie chimique des matériaux est alors transformée en énergie électrique véhiculée par les électrons qui forment le courant. Les électrons cèdent leur énergie au conducteur qui s’échauffe : l’énergie électrique est transformée en énergie calorifique.
La transformation d’énergie chimique en énergie électrique est due à des réactions chimiques à l’intérieur de l’accumulateur. De nouveaux matériaux appauvris en énergie chimique se forment. Alors qu’une pile épuisée devient inutilisable un accumulateur peut être rechargé à l’aide d’un chargeur adapté. Les réactions chimiques à l’intérieur de l’accumulateur se déroulent alors exactement dans le sens inverse de sorte que l’accumulateur revient à son état initial.
Quelle est la cause de l’apparition d’un pôle + et d’un pôle - ?
En principe, deux différents matériaux en contact avec un électrolyte (= liquide conducteur électrique par l’intermédiaire d’ions exclusivement) ont des tendances différemment fortes à faire entrer des ions positifs en solution.
Figure schématique : La tendance à entrer en solution dans l’électrolyte (en jaune) sous forme d’ions positifs (petits cercles) est plus prononcée pour le zinc que pour le cuivre.
Par exemple, les ions Zn2+ ont une tendance plus prononcée à entrer en solution que les ions Cu2+ du cuivre. L’électrode de Zn cède donc davantage d’ions positifs à l’électrolyte que l’électrode de cuivre. Celui qui cède le plus d’ions positifs est le plus négatif. La borne connectée à l’électrode de Zn constitue donc le pôle négatif et la borne connectée à l’électrode de Cu le pôle positif.
La famille des accumulateurs lithium-ion comptent parmi les accumulateurs les plus performants. D’une part le lithium est le métal le plus léger, et d’autre part, le lithium a la plus forte tendance à céder des électrons, donc à former des ions Li+. Le meilleur a ce jour est peut-être l’accumulateur-lithium-dioxyde de cobalt (LiCoO2) utilisé pour les voitures électriques et aussi, pour faire circuler le tram de Luxembourg sans ligne aérienne.
L’électrode positive est formée justement de LiCoO2, d’où le nom donné à ce type d’accumulateur. L’électrode négative est constituée de carbone graphite, une forme de carbone à structure feuilletée. L’électrolyte est un sel de lithium dissout dans un mélange de solvants organiques permettant aux ions Li+ de passer librement d’une électrode à l’autre.
Pour empêcher un court-circuit (si les deux électrodes se touchaient), on place une membrane microporeuse entre les deux électrodes, appelée le séparateur. Ce séparateur est perméable aux minuscules ions Li+.
Lorsque l’accumulateur est chargé il règne une tension de 3,7 V environ entre les deux pôles.
Si on branche un récepteur (moteur, source lumineuse,…) entre ces pôles un courant électrique constitué d’électrons circule. Chaque électron transporte de l’énergie électrique qu’il cède au récepteur. A l’intérieur de l’accumulateur, les ions Li+ passent de l'électrode -, via le séparateur, jusqu’à l’électrode +.
Lorsque l’accumulateur est rechargé, le chargeur impose un courant dans le sens inverse. Les ions Li+ repassent de l’électrode + jusqu’à la structure de graphite feuilletée de l’électrode –, où ils sont stockés.
Auteur : André Mousset
Figures schématiques : André Mousset
Photos : (1) By Kristoferb, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12279456, (2) By Tennen-Gas - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8249799, (3) https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0810281.htm
