Quel est le fonctionnement d'une batterie litihum ?

De plus en plus utilisées dans de nombreux types d’appareils, les batteries au lithium sont encore mal connues du grand public. Innovante et sûre, cette technologie présente pourtant bien des atouts. Voici un point complet sur le fonctionnement, les avantages et les inconvénients des batteries au lithium.

Présentation du lithium

Le lithium est un métal alcalin découvert par Johan August Arfwedson en 1817. Ce métal mou est d’une extrême légèreté et se distingue par sa forte densité énergétique. Il possède ainsi un important potentiel électrochimique qui permet de développer des batteries performantes dans le secteur électronique comme dans l’industrie automobile. Sous sa forme pure, le lithium est un métal mou et gris, qui se ternit instantanément en présence d’air ou d’eau. Il est conservé pour cela dans de l’huile minérale afin qu’il ne s’oxyde pas. Ses propriétés chimiques en font un élément recherché dans le domaine industriel, notamment pour la production de batteries et de piles rechargeables.

Le Lithium est un élément chimique d’une masse atomique de 6,941 u. Il possède 3 protons, 3 électrons  (2 et 1 par couche) et son symbole chimique est Li.

Lithium : caractéristiques élémentaires

Principe de fonctionnement d’une batterie lithium

Les batteries lithium utilisent des réactions chimiques contrôlées à travers l’inversion des charges de leurs électrodes. Un échange d’ions s’effectue de cette manière dans l’électrolyte entre l’électrode positive (la cathode) et l’électrode négative (l’anode). Au cours de ce déplacement de charges, une libération d’énergie électrique se produit (électron). C’est ce système qui permet de charger une batterie.

Pour permettre cette réaction électrochimique, la plupart des batteries lithium se composent d’une électrode positive (+) en lithium et oxyde de cobalt (LCO) et d’une électrode négative (-) en carbone (graphite).

Fonctionnement batterie lithium

Les différents types de batteries au lithium

On trouve sur le marché trois principaux types de batteries constituées de lithium : Li-ion, Li-Po et LifePO4. Chacun de ces types ont leurs propres particularités et sont adaptés à des usages différents.

Accumulateur lithium-ion

L’accumulateur lithium-ion (Li-ion) est de petite taille, il possède une énergie massique élevée. On l’emploie avec de nombreux appareils tels que les smartphones, les ordinateurs portables, les enceintes, les tablettes ou encore les appareils photos numériques à travers un port USB.

Batterie lithium Li-Po

Une batterie au lithium polymère (Li-Po) est plus légère mais se révèle plus sensible aux chocs. Elle est moins utilisée pour cette raison, mais on la retrouve dans le domaine du modélisme et pour le fonctionnement des drones.

Pour plus d’informations vous pouvez consulter cet article dédié au fonctionnement des batteries Li-po.

Batterie lithium LifePO4

Les batteries au lithium fer phosphate (LifePO4 ou LFP) se servent de cellules cylindriques ou rectangulaires. Leur grande durée de vie va de pair avec un poids certain. C’est donc sans surprise que l’on retrouve la technologie LifePO4 dans les batteries à décharge lente mais également sur de nombreux type d’engins comme les scooters ou les trottinettes électriques.

Les avantages d’une batterie au lithium

Le succès des batteries au lithium s’explique par leurs différents points forts :

  • ce type de batterie affiche une densité énergétique deux fois plus élevée que les batteries standards
  • leur durée de vie est sans commune mesure avec les batteries au plomb classiques, avec par exemple une capacité minimale de 1 500 cycles pour une batterie lithium fer phosphate
  • ce sont également des batteries de petite taille au poids réduit, idéales pour une utilisation avec les appareils électroniques grand public et les véhicules électriques.
  • cette technologie de batterie lithium ne nécessite que peu d’entretien
  • les batteries au lithium sont des produits sûrs et fiables
  • elles bénéficient d’un très haut rendement
  • les batteries lithium LifePO4 ont une bonne résistance climatique

Les inconvénients d’une batterie au lithium

Pour autant, les batteries lithium ne sont pas exemptes de défauts qui constituent des freins à leur production :

  • tout d’abord, il s’agit d’une technologie plus chère à utiliser que celle des batteries au plomb. Même si les prix ont baissé ces dernières années, une batterie lithium est 2,5 fois plus onéreuse à concevoir qu’une batterie plomb.
  • en raison des propriétés chimiques particulières du lithium, il s’agit par ailleurs de batteries difficiles à conserver pour des raisons de sécurité
  • elles s’accommodent mal aux températures extrêmes, d’où leur interdiction à bord des avions de diverses compagnies aériennes à travers le monde
  • la fabrication de batteries lithium-ion représente également un problème sur le plan environnemental. L’extraction du lithium et du cobalt nécessaires à leur conception génère une pollution importante

Le recyclage du lithium

Le recyclage des batteries lithium
Pour éviter que les métaux lourds entrant dans la composition de ces accessoires ne se répandent dans la nature, la collecte et le recyclage des batteries au lithium sont indispensables. Un tri sélectif est mis en place pour que les piles et les batteries ne se trouvent pas mêlées aux ordures ménagères. Des techniques de recyclage poussées sont employées afin de recycler les différents éléments chimiques contenus dans les batteries au
lithium, susceptibles de contaminer le sol ou l’eau contenus dans les batteries au lithium.

À l’heure actuelle, la méthode de l’hydrométallurgie permet un taux de recyclage de 98 % des métaux polluants présents dans les batteries lithium.

Batterie au lithium : questions/réponses

Quelle est la durée de vie d’une batterie au lithium ?

La durée de vie des batteries lithium varie selon leur qualité de fabrication. Les batteries pour smartphone durent 2 ans en moyenne. Certaines batteries lithium-ion peuvent fonctionner durant 4 000 cycles. Enfin, les modèles les plus perfectionnés, comme les batteries utilisées par la NASA, affichent une durée de vie allant jusqu’à 20 ans.

Quelle place occupe le lithium sur le marché ?

Le secteur des batteries est encore dominé par les modèles au plomb. On estime que 90 % des batteries conçues dans le monde sont faites à base de plomb. L’industrie automobile privilégie cette technologie en raison de son coût moindre par rapport aux batteries au lithium. Néanmoins, l’essor des véhicules électriques tend à réduire progressivement cet écart.

Quelles sont les mesures de sécurité pour une batterie lithium-ion ?

La cellule des batteries lithium est fragile et contient des produits inflammables comme les solvants organiques, il est donc important de respecter certaines mesures de sécurité. Il ne faut surtout pas plonger ce type de batterie dans l’eau, ni l’utiliser près d’un feu ou d’un radiateur.

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