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À l’intérieur d’un accumulateur Li-ion

Batterie Lithium-ion et ordinateur portable (1ère partie)
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Les tout premiers travaux ont commencé en 1912 et sont attribués à Gilbert Newton Lewis, chimiste américain. Les premières piles au lithium sont apparues dans les années 70 et les premières tentatives de batterie rechargeable dans les années 80. Les obstacles que posait cette technologie ont d’abord été surmontés par Bell Labs. On pense entre autres à l’instabilité du lithium lors du chargement de la batterie. Le professeur John Goodenough et son équipe de l’Université d’Oxford sont aussi responsables des avancés qui ont permis la commercialisation de cette batterie par Sony en 1991.

Anode cathode et autre

Une batterie est composée de plusieurs éléments assemblés les uns aux autres. Nous avons tout d’abord les accumulateurs (ou accus) qui emmagasinent l’énergie. Ce sont généralement (mais pas forcément) des cylindres rigides (ressemblant aux piles traditionnelles), car ils sont peu chers à fabriquer, offre une bonne densité, une bonne résistance à la pression interne et sont stables mécaniquement. Vous entendez souvent parler d’une batterie 6, ou 9 cellules dans les articles ou actualité. Sachez qu’un accumulateur correspond à une cellule. Une batterie 6 cellules contient donc 6 accus.

Sécurité

La cellule est composée principalement de trois éléments : l’anode (électrode négative), la cathode (électrode positive) et de couches séparant les deux faites de polyéthylène ou polypropylène. Ces couches contiennent des pores qui ont la particularité de se fermer à partir de 130°C dans le but de stopper toute réaction chimique dans le cas où la batterie surchaufferait. Les fabricants intègrent aussi divers éléments assurant la sécurité de l’accu, comme une membrane qui casse si la pression interne est trop grande. Lorsqu’elle se rompt, la cellule fonctionne à circuit ouvert ce qui doit en principe réduire la pression. Si cela n’est pas suffisant, une valve s’ouvre afin d’éviter que le cylindre craque.

Au moment de la fabrication, les constructeurs placent un PTC (Positive Temperature Coefficient) sous le plus de la pile. Il est en principe impossible d’ôter le PTC sans détruire la cellule. Son but est de réagir à l’élévation de la température et dès que le seuil auquel il a été programmé est atteint, il réduit ou stop le flot de courant dans le but de faire baisser la température. Les piles disposent aussi d’un joint d’étanchéité pour éviter toute fuite. Malgré toutes ces mesures de sécurité, les accumulateurs li-ion restent dangereux comme l’ont montré les déboires de Sony. Sans aller à la paranoïa, ces accus demandent néanmoins une certaine vigilance dans la fabrication et la manipulation.

La place du lithium

Une question reste néanmoins en suspend. Pourquoi les nomment-ont batterie Li-ion ou Lithium-ion. Le lithium est présent au sein des électrodes positives, négatives et de l’électrolyte. C’est le plus léger de tous les métaux et il dispose de propriétés électrochimiques excellentes ce qui offre une large densité énergétique par rapport à son poids (deux fois celle du Ni/Cd). Néanmoins, le lithium n’est pas présent sous sa forme métallique, mais ionique, d’où le nom Lithium-Ion. La raison est que la forme métallique n’était pas commercialisable pour des raisons de sécurité. L’inhérente instabilité de la structure poussa les industriels à choisir les ions de lithium, certes d’une moins bonne densité énergétique, mais se révélant beaucoup plus sûrs.

La cathode est en principe composée de dioxyde de Cobalt, mais l’on trouve des modèles utilisant du manganèse. De son côté, l’anode utilise des sphères de graphites depuis les recherches de Bell Labs en 1997, aussi appelé MCMB (Meso Carbon Micro Beads). L’électrolyte est composé d’un sel conducteur. Au final, on obtient la réaction suivante.

Tout ce petit monde est entouré d’une couche d’isolant. La partie positive de la pile est enrobée d’aluminium contrairement à la partie négative qui contient du cuivre.