L`état de l`art des accumulateurs au lithium

L’état de l’art des accumulateurs au lithium
(Full text in French)
Titu-Marius I. BĂJENESCU1
1
Prof. Eng., Doctor Honoris Causa of Military Technical Academy of Romania and of Technical University of
Republic of Moldova (Chișinău); Romanian Academy „Tudor Tănăsescu” Prize Laureat
Abstract
In recent years, lithium-ion batteries have experienced a rapid development from small everyday devices towards
hybrid electric vehicle (HEV) applications. Due to this shift in application area, the battery performance and its
degradation with time are becoming increasingly important issues to be solved. Particularly important in this context
is the implementation of higher densities, reduced volume hand in hand with improved reliability. A good priceperformance ratio is the key.
Keywords: mean service life, battery capacity loss, self-discharge, reliability, aging, perspective.
Received: December, 04, 2015
Introduction
L'histoire des batteries lithium-ion commence
en 1962. Ce fut d'abord une batterie qui ne pouvait
plus être rechargée après une seule décharge (de la
batterie primaire). Le matériau de l'électrode
négative était le lithium, le matériau de l'électrode
positive était du dioxyde de manganèse.
En 1972, cette batterie était mise sur le marché
par la société Sanyo. La société Moli Energy a
développé en 1985, la première batterie
rechargeable (batterie secondaire) à base de
lithium (électrode négative) et sulfure de
molybdène (électrode positive); Toutefois, cette
conception a eu des problèmes de sécurité en
raison du lithium de l'électrode négative.
Commercialisée pour la première fois par Sony
(1991), la batterie Li-ion occupe aujourd’hui une
place
prédominante
sur
le
marché
de
l’électronique portable. Ses principaux avantages
sont une densité d’énergie spécifique et volumique
élevée (4 à 5 fois plus que l’accumulateur Ni-MH)
ainsi que (presque) l’absence d’effet mémoire.
L’autodécharge est relativement faible par rapport
à d’autres accumulateurs.
Les batteries Li-ion sont déjà utilisées avec
succès dans de nombreuses applications pour le
stockage efficace de l'énergie électrique. Dans le
domaine de l'électromobilité elles occupent une
position de premier plan. Des améliorations sont
cependant nécessaires afin de promouvoir des
systèmes sécuritaires, respectueux de l’environnement, performants et à coût réduit.
Cellules primaires et secondaires
Les piles, en général, sont des réservoirs
d'énergie électrochimique ; elles sont divisées en
cellules primaires et secondaires. Les cellules
primaires sont des sources d'énergie électro-
chimique, où l'énergie chimique est convertie en
énergie électrique ; la réaction d'oxydo-réduction
est irréversible. (Irréversible signifie que la cellule,
après l'enlèvement de l'énergie, n'est plus
utilisables et doit être jetée ; mais pas à la
poubelle!).
Les cellules secondaires, connues comme
accumulateurs, sont destinées au stockage
électrochimique de l'énergie rechargeable, dans
lequel la réaction chimique est réversible, offrant
ainsi une utilisation multiple. Au chargement,
l'énergie électrique est convertie en énergie
chimique ; pendant le déchargement l'énergie
chimique est transformée en énergie électrique. Un
chargement et un déchargement complet constitue
un cycle. Dans la plupart des cas, le nombre de
cycles indique la durée de vie d'une cellule. Selon
le type, la durée de vie des piles rechargeables est
de 100 à plusieurs 1000 cycles.
La batterie Li-ion appartient au groupe de
cellules secondaires. En raison de ses nombreux
avantages par rapport aux autres types de cellules
secondaire, elle représente la technologie de
stockage de l'avenir pour l'utilisation mobile et
stationnaire.
Dans les cellules primaires, on utilise du lithium
métallique pur pour l'électrode négative. Les
avantages par rapport aux cellules primaires
classiques - tels que des piles alcalines au
manganèse - sont une tension plus élevée de cellule
(V) en fonction de la cathode utilisée, une densité
plus élevée d'énergie, faible autodécharge, une
longue durée de vie et une large plage de
températures de fonctionnement.
Dans les cellules secondaires on ne peut pas
utiliser du lithium métallique, parce que pendant
la recharge de la batterie il y a un risque de
formation de dendrites du lithium qui peuvent
conduire à une perforation du séparateur et à un
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court-circuit simultané de la cellule. La formation
de dendrites peut également conduire à une perte
de lithium électrochimique utilisable, et le lithium
métallique peut se détacher de l'électrode. Le
résultat serait une perte de capacité.
L'étape suivante se poursuit à travers
l'utilisation de matériaux des deux côtés de
l'électrode, ce qui a permis le stockage et
l'extraction du lithium activé, et qui avait un grand
potentiel de tension. La société Sony a développé
la première batterie rechargeable lithium-ion et l'a
commercialisée à partir de 1991. Le matériau actif
de l'électrode négative était du carbone, et celui
de l'électrode positive était Lithium-dioxyde de
cobalt [1]. Ensuite, les batteries lithium-ion ont été
développées en Corée du Sud et au Japon, et ont
trouvé leur chemin dans de nombreuses
applications.
Dès son lancement, la batterie au Li-ion s'est
fermement
établie
pour
de
nombreuses
applications, surtout sur le marché de la
consommation (téléphones mobiles, ordinateurs
portables), en ouvrant aussi de nouvelles
applications ; netbooks, tablettes, computers ou
smart watches auraient été presque impossible à
réaliser sans ces „paquets d'énergie”.
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grande stabilité électrochimique et le transport
facile du Li+.
Bien connues des téléphones et des ordinateurs
portables, les batteries lithium-ion pour les
véhicules mobiles sont basés sur le même principe
électrochimique,
mais,
compte
tenu
des
performances du véhicule électrique, dans la plus
petite quantité d'espace l'énergie stockée dans le
cadre des règles de sécurité strictes l'automobile ou
à haute charge et connecté aux exigences de
performance extrêmes de décharge, il devient clair
que la technologie lithium-ion doit répondre à
l'avenir aux défis totalement nouveaux. Une
branche entière de la recherche, donc, depuis
plusieurs
années,
est
engagée
dans
le
développement de nouveaux matériaux et
conceptions de cellules pour la prochaine
génération de batteries à demandes élevées
d'énergie.
Construction et fonctionnement
Chaque cellule Li-ion (voir Figure 1) se compose
principalement de deux électrodes différentes, une
électrode négative (anode) et une électrode
positive (cathode).
Écologie et mobilité
Le problème de la consommation de pétrole et
la pénurie de ce combustible fossile se déroule dans
le contexte du changement climatique progressif.
Le conseil mondial du climat avertit d'un
réchauffement planétaire sans précédent jusqu'à
6,4°C d'ici la fin du siècle. Avec plus de 90 pour
cent de probabilité l'homme c'est le seul
responsable à travers l'émission de gaz de serre ;
aujourd'hui environ un quart des émissions
mondiales de dioxyde de carbone est généré par le
trafic, la plus grande partie étant due au transport
routier.
Le stockage de l'énergie est crucial pour réaliser
un nouveau paradigme mondial de l'énergie à partir
de sources d'énergie renouvelables. Les batteries
sont bien adaptées à ce besoin, avec les avantages
de la mobilité et potentiellement inoffensives pour
l'environnement.
Les batteries Li-ion ont révolutionné le marché
de l'électronique portable et sont actuellement mis
en œuvre pour sauvegarder l'électricité pour le
“grid stockage” et pour le transport, en fournissant
de l'énergie pour véhicules hybrides et électriques.
Cependant, pour les applications à grande échelle,
la sécurité des batteries Li-ion actuelles est un
obstacle. Le problème de la sécurité intrinsèque de
la cellule au lithium-ion est la réactivité du choix
des matériaux. Particulièrement préoccupant, est
l'électrolyte organique inflammable avec le sel
thermiquement instable du hexafluorophosphate
de lithium (LiPF6).
En plus d'une grande stabilité thermique, les
nouvelles alternatives de sel doivent combiner une
Figure 1. Construction et fonctionnement d’une cellule
Li-ion pendant la décharge
Les électrodes sont chacune constituées d'un
collecteur de courant et un matériau actif déposé
sur celui-ci. Entre les électrodes il y a un
électrolyte conducteur d'ions, qui agit comme un
médiateur des événements dans la cellule, et le
séparateur, qui assure la séparation électronique
des électrodes.
L'électrode positive est constituée d'oxydes
mixtes, qui sont appliqués à un collecteur en
aluminium. Des oxydes de métaux de transition
avec du cobalt, manganèse ou nickel sont les
composés les plus courants. La couche d'oxyde
appliquée est utilisée pendant la charge de la
cellule en tant que source de lithium. Pour des
raisons écologiques, les oxydes de manganèse sont
souvent utilisés à à la place des oxydes de cobalt.
Une alternative pour la sécurité de l'environnement
est le phosphate de lithium fer (LFP).
Lithium est l'élément le plus léger sous forme
solide (masse atomique M = 6,941 g/mol ; densité
de 0,53 g/cm³) et a le plus grand potentiel standard
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négatif (E0) dans la série électrochimique (Li+ + e⇌ Li ; E0= −3,04 V par rapport à l'électrode normale
à hydrogène). Il en résulte une très élevée densité
de charge spécifique par rapport aux autres
éléments solides (3,860 Ah/kg). En combinaison
avec différents matériaux d'électrode, on peut
réaliser de très hautes tensions.
Une batterie Li-ion est composée de plusieurs
cellules connectées en série et en parallèle - en
fonction de la tension et des exigences de
l'appareil. Trois types différents de cellules de
batterie Li-ion sont couramment utilisés dans les
ordinateurs portables, les tablettes et téléphones :
cylindrique, prismatique et polymère. La tension
d’un élément Li-ion est de 3,6 V.
Durant ces dernières années, les batteries
lithium-ion ont connu un développement rapide, de
petits appareils de tous les jours envers des
applications hybrides pour véhicules électriques
(VE). En raison de ce changement de domaine
d'application, la performance de la batterie et sa
dégradation avec le temps deviennent des enjeux
de plus en plus importants à résoudre.
Paramètres importants
L'un des paramètres les plus importants est la
densité d'énergie. Elle donne en Wh/l, la taille de
la teneur en énergie stockée dans la batterie, en
Wh par volume l. La densité d'énergie peut
également se référer au poids (densité d'énergie
massique) c'est-à-dire Watt x heures par masse
Wh/kg. La densité d'énergie est considérée comme
une importante mesure pour estimer la distance
parcourue par un véhicule électrique. La densité
d'énergie spécifique peut être calculée à partir de
la densité spécifique de charge du produit Ah/kg et
la tension de la cellule V ; elle influence en
conséquence la capacité de stockage d'énergie
d'une batterie.
La densité de puissance spécifique W/kg, décrit
combien de W de puissance peut être délivrée par
une masse de batterie d'un kg. Elle est donc une
mesure de la puissance maximale de la batterie,
disponible pour un temps court. Plus la densité de
puissance est élevée, plus rapide est l'absorption
d'énergie pour charger l'accumulateur. D'autre
part, la capacité d'une pile ou d'un accumulateur
indique la quantité de charge électrique Q que peut
fournir ou stocker une batterie. En règle générale,
on parle de la capacité nominale CN. Elle est
exprimée en ampères-heures Ah. Il est d'usage de
la spécifier dans chaque cellule en As (Ampère
secondes).
Beaucoup de sources d'énergie renouvelables
(par exemple, l'énergie solaire et éolienne)
produisent de l'énergie intermittente, ce qui
nécessite un stockage efficace d'énergie électrique
afin de fournir un approvisionnement en énergie
fiable et stable. Dans le secteur des transports, des
véhicules plus efficaces sont nécessaires pour
réduire les émissions de dioxyde de carbone. Ceci
est réalisé par la mise au point de véhicules
hybrides, qui donnent de meilleurs rendements de
conversion d'énergie par rapport aux véhicules à
moteur à combustion interne ainsi que moins de
pollution dans les villes. Des véhicules hybrides et
des véhicules électriques pourraient diminuer
davantage la position dominante du pétrole dans le
secteur des transports. Toutefois, afin de mettre en
œuvre avec succès les batteries dans de nouvelles
applications, le développement de la technologie
est nécessaire, pour garantir un faible coût, une
longue durée de vie et des systèmes sûrs.
Principe de la batterie
Il existe de nombreuses technologies de
stockage d'énergie différentes, et elles peuvent
être classées en quatre catégories principales :
électriques,
mécaniques,
thermiques
et
chimiques [2]. Dans les batteries, l'énergie
chimique est convertie en électricité par des
réactions redox. Batteries sont calmes, donne
aucune pollution pendant le fonctionnement, sont
facilement transportées, peuvent être recyclées et
ont généralement des rendements élevés de
l'énergie [2]. Les batteries secondaires ont
également l'avantage d'une utilisation répétée.
Décharger et charger la batterie est possible
lorsque les réactions électrochimiques de la cellule
sont réversibles.
Les batteries rechargeables à base de lithium
ont été démontrées et utilisées pour la première
fois dans les années 1970 [5] [6]. Dans les années
suivantes, la recherche a été axée sur le
développement de divers matériaux d'insertion du
lithium [7-11], mais la commercialisation a été
retardée principalement en raison de difficultés
liées aux électrodes négatives au lithium
métallique qui ont conduit au plaquage non
uniforme du lithium (formation de dendrites) et
donc au court-circuit et aux problèmes de sécurité.
En 1991, Sony Corporation a commercialisé la
première batterie Li-ion avec LiCoO2 comme
électrode positive et du carbone doux comme
électrode négative [11]. Les batteries Li-ion ont
révolutionné l'électronique des produits grand
public; elles ont été utilisées dans les téléphones
mobiles, mais se sont rapidement propagées aux
ordinateurs portables, aux appareils photo et aux
lecteurs multimédia numériques. Ils ont beaucoup
de propriétés avantageuses, une meilleure
efficacité énergétique, l'énergie et la puissance des
densités plus élevées que les autres piles
rechargeables existantes.
Il existe de nombreux matériaux pour les
électrodes positives et négatives. C'est pour cela,
qu'il y a beaucoup de différentes chimies Li-ion,
chacune avec ses caractéristiques de puissance et
d'énergie spécifiques.
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Électrolytes
Deux principaux types d'électrolytes sont utilisés
dans les cellules Li-ion commerciales : gel et des
électrolytes liquides. Électrolytes liquides sont
constitués d'un mélange d'un sel de lithium dans des
solvants organiques alors que les électrolytes sont
constitués d'un gel électrolyte liquide incorporé
dans une matrice polymère, par exemple, le poly
(fluorure
de
vinylidène-cohexafluoropropene)
(PVDF-HFP) [12]. Les batteries à électrolyte en gel
sont généralement appelées cellules gel polymère
ou cellules polymère. Aujourd'hui, les électrolytes
liquides sont les électrolytes les plus couramment
utilisés dans les batteries Li-ion commerciales. Le
sel le plus largement utilisé est LiPF6. Il a une bonne
conductivité et donne une plus grande stabilité du
collecteur de courant en aluminium utilisé à
l'électrode positive [13,14]. Il génère, cependant,
l'acide fluorhydrique (HF) lorsqu'il est exposé à une
trace d'humidité [15,16]. Les électrolytes
commerciaux sont généralement constitués d'au
moins trois à cinq solvants organiques afin de
fournir
les
meilleures
propriétés:
haute
conductivité, large plage de températures et une
bonne performance de la cellule. Les principaux
solvants utilisés dans les cellules Li-ion sont des
carbonates organiques, par exemple, le carbonate
d'éthylène (EC), le carbonate de diéthyle (DEC), le
carbonate de diméthyle (DMC) et le carbonate de
méthyl-éthyl (CEM) [3]. Ils donnent les meilleures
propriétés, mais ils sont aussi volatiles et
hautement inflammables, ce qui nous amène aux
problèmes de sécurité.
Les électrolytes couramment utilisés ne sont pas
thermodynamiquement stable aux tensions de
fonctionnement d'une batterie Li-ion. Par réduction
elles forment un film de passivation sur l'électrode
négative, dite interphase solide d'électrolyte
(SEI) [17].
De petites quantités de produits chimiques,
appelés additifs ou électrolytes fonctionnels, sont
ajoutés à l'électrolyte pour obtenir des
fonctionnalités supplémentaires et améliorer les
propriétés d'une batterie Li-ion.
Quelques définitions
Pour les batteries, les paramètres tels que la
capacité nominale, l'énergie électrique et la
puissance sont des caractéristiques communes.
Elles sont utilisées pour caractériser une cellule de
batterie ou un système de batteries. La capacité
est la quantité de charge électrique fournie à partir
d'une source d'alimentation, dans des conditions de
décharge déterminées. La capacité dépend de la
tension du courant de décharge, de la tension de
décharge, de la température et du type et de la
quantité de matières actives. L'unité est Ah.
L'énergie d'une batterie (ou d'un accumulateur)
est calculée par le produit de la capacité et de la
tension de décharge moyenne. L'unité est Wh.
L'énergie spécifique se réfère à la masse des
batteries et a comme unité Wh/kg; la densité
d'énergie se réfère au volume de la batterie et à
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l'unité Wh/l. La puissance est le produit du courant
et de la tension, par exemple, lors de la décharge.
La performance a le Watt comme unité.
L'efficacité des batteries lithium-ion est très
élevée,
généralement
au-dessus
de
95%.
L'efficacité est définie comme étant l'énergie qui
est libérée lors d'une décharge, divisée par l'énergie
qui est stockée pendant une charge.
Sortes d’accumulateurs
On
distingue
trois
sortes
principales
d’accumulateurs: (i) Lithium-métal (ii) Lithium-ion
et (iii) Lithium-polymère. Mais de nouvelles
technologies sont attendues. Dans les cartons des
scientifiques et des industriels on trouve
notamment les batteries lithium-air (ou lithiumoxygène LiO2). Une équipe de chercheurs de
l’université
de
Cambridge
[25]
pourrait,
éventuellement,
remédier
au
principal
inconvénient de ces accumulateurs, à savoir leur
durée de vie très faible. Par contre, elles peuvent
théoriquement atteindre 3450 Wh par kilogramme
(Wh/kg). (À titre de comparaison, les batteries de
nos téléphones portables actuels atteignent
environ 200 Wh/kg). Installées dans des voitures
électriques, des batteries LiO2 feraient décoller
l’autonomie. Après une série de réactions
chimiques, la rencontre du lithium et de l’oxygène
forme du peroxyde de lithium (Li2O2), un cristal qui
va, lors de la charge, se dissocier. Mais le Li2O2 pose
deux problèmes majeurs: (i) il s’accumule sur la
cathode, qu’il finit par encrasser, bouchant tous les
pores et bloquant ainsi les réactions chimiques
ultérieures. (ii) il s’agit d’une espèce réactive qui
est agressive pour les autres matériaux, et dont la
formation s’accompagne de multiples réactions
indésirables qui abîment la batterie, d’où leur
durée de vie très modeste.
Sécurité des batteries au lithium-ion
Dans la figure 2, il est illustré un système de
batteries lithium-ion de l'automobile qui - en
termes de sécurité chimique des produits, de la
sécurité mécanique et électrique fonctionnelle doit être respectée.
Figure 2. La sécurité des batteries lithium-ion pour le
système de batterie lithium-ion de
l'automobile [4]
La sécurité chimique est déterminée par la
conception d'un élément de batterie, par exemple
en sélectionnant les matériaux actifs appropriés et
88
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la structure elle-même. La sécurité électrique est
assurée à travers l'isolation des câbles d'un système
de batteries et un logement correspondant. La
sécurité mécanique est assurée par une conception
appropriée, par exemple, par un crash box spécial
fonctionnel. La sécurité est obtenue en surveillant
les cellules par l'intermédiaire de capteurs
correspondants, de l'unité de commande de la
batterie, des actionneurs, tels que le relais pour
connecter et déconnecter la batterie, et le système
d'interface de communication correspondant
[1][4].
Les additifs ignifuges sont utilisés pour
améliorer la sécurité des cellules Li-ion pour
diminuer l'inflammabilité de l'électrolyte. Un des
premières flammes retardatrices a été le phosphate
tri-méthyle. Il supprime l'inflammabilité de
l'électrolyte, mais il n'est pas stable au cours du
cyclage et se décompose sur la surface de l'anode
et conduit à la décoloration.
Vieillissement et durée de vie
Avec le temps, les caractéristiques d'un système
de batteries peuvent changer. Voici trois effets du
vieillissement qui peuvent être observés dans les
cellules de la batterie lithium-ion, clairement
expliquées.
Les cellules de la batterie sont faites de
matériaux différents qui sont en contact les uns
avec les autres et peuvent réagir. À des
températures élevées, ces réactions s'accélèrent.
Par conséquent, la capacité de la cellule de
batterie diminue avec le temps, et il y a une
augmentation de la résistance interne d'une cellule
de batterie, de sorte que la puissance diminue aussi
avec le temps. Les cellules de la batterie sont
conçues de telle sorte que la capacité spécifiée ou
la résistance interne spécifiée de la cellule peuvent
être garanties jusqu'à la fin de sa durée de vie.
Sur le matériau actif de l'électrode négative, par
des procédés de fabrication appropriés, sera
construite une couche résistante appelée "Solid
Electrolyte Interface" (SEI). Cette couche protège
la matière active du contact direct avec
l'électrolyte. Si elle était en contact direct avec le
matériau actif, une partie de l'électrolyte lui-même
se désintègre. Grâce à des processus chimiques,
pendant la durée de vie, sur les SEI existantes
seront construites d'autres couches de protection.
Cela conduit à la diminution de la capacité de la
batterie, car une partie des ions de lithium se
trouvant dans la solution seront convertis dans des
liaisons qui ne peuvent alors plus participer à des
réactions électrochimiques. En outre, l'épaisseur de
la couche augmente, les ions de lithium doivent se
déplacer à travers l'électrolyte, de sorte que la
résistance du transfert de masse augmente la
résistance ohmique.
Les mécanismes de vieillissement peuvent
encore être causés par des contraintes mécaniques.
Des contraintes mécaniques naissent lorsque les
ions de lithium sont incorporés dans les matériaux
actifs. Ici les contraintes mécaniques se produisent
à l'intérieur des particules de matières actives, ce
qui conduit à la fissuration dans des particules et à
leur rupture. Ainsi, les particules individuelles de la
matière active ne sont pas connectées
électriquement. Ce type d'exposition et les effets
sont décrits en détail dans [18].
Un autre processus de vieillissement est dû à
l'exploitation des matières actives lors du stockage
des ions de lithium et qui conduit à un changement
de volume des particules. Pour séparer cette
charge, les chemins de conduction électrique (à
l'aide du noir de carbone, un conducteur spécial à
fibres de carbone, sont préparés des chemins de
conduction spécifiquement électriques entre les
particules et le collecteur de courant fourni), de
sorte que les particules de la matière active ne sont
plus reliées électriquement à des collecteurs de
courant.
Un autre processus de vieillissement est dû à
l'exploitation des matières actives lors du stockage
des ions de lithium et conduit à un changement de
volume des particules. Pour séparer les chemins de
conduction électrique (à l'aide du noir de carbone,
un conducteur spécial en carbone, sont construits
des chemins de conduction spécifiquement
électriques entre les particules et le collecteur de
courant fourni), les particules de la matière active
ne sont plus reliée électriquement à des collecteurs
de courant. En principe, ce processus de
vieillissement peut avoir lieu à l'électrode chargée
positivement ou négativement. Plus de mécanismes
de vieillissement sont décrits en détail dans [19].
La durée de vie des cellules de la batterie dépend
des conditions de fonctionnement, des matériaux
utilisés, de la composition de l'électrolyte et de la
qualité du procédé de fabrication. Selon
l'application, la conception de la cellule de batterie
au lithium-ion et de l'état de fonctionnement, la
durée de vie sera différente.
Matériaux et coût de fabrication
On estime à 100 g par kWh la quantité de
Lithium intervenant dans la réalisation d’une
batterie Li-ion. Ce qui correspond à un besoin de 2
à 3 kg pour une voiture purement électrique et à
moins d’un kilogramme pour un véhicule hybride
rechargeable.
Les matériaux des électrodes de la batterie se
gonflent lors du chargement avec des ions de
lithium,
et
se
rétrécissent
pendant
le
déchargement. Dans ce processus, sont détruites
des particules, ce qui raccourcit la durée de vie de
ces batteries.
Une nouvelle conception de la cathode a été
mise au point sur la base d'un nouveau matériau
composite. Le matériau de la cathode peut être
revêtu dans un procédé de production en continu
ou en une seule étape. Grâce au nouveau procédé
de fabrication, la proportion de la matière active
de la cathode peut être augmentée, car
l'adjonction de liants et de particules de charge
électriquement conducteurs est superflue.
Réduire le coût de fabrication des batteries Liion et étendre leur durée de fonctionnement
demeurent des tâches difficiles.
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On a étudié les méthodes d'obtention, la
structure et les caractéristiques des nouveaux
matériaux de carbone dans le but de les utiliser
comme matériaux d'électrodes pour les actuelles
sources chimiques. Les résultats obtenus
confirment que les électrodes, préparés avec la
méthode proposée en [20], permettent d'obtenir
des valeurs élevées de densité d'énergie et de
capacité, en comparaison avec l’électrode
standard.
Des chercheurs de l'Université norvégienne des
sciences et de la technologie (NTNU) travaillent sur
l'amélioration de l'interphase d'électrolyte solide
(SEI) comme un moyen de stimuler la vie de la
batterie.
Comment tester la fiabilité [26]
Lorsqu’on
accroit
progressivement
les
contraintes, généralement par paliers et sans
limites préétablies, jusqu’à provoquer la
défaillance de la batterie testée, on parle de HALT
(Highly Accelerated Life Testing). Il s’agit d’un
processus itératif au cours duquel l’objectif des
essais menés est de déceler les modes et
mécanismes de défaillances à moyen et long termes
dans des produits en cours de développement afin
de corriger le produit au stade de sa conception.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) est mise
en place à la suite de la méthode HALT et consiste
à réutiliser les résultats obtenus en HALT afin de
tester individuellement les composants produits sur
une ligne de fabrication.
Conclusions
Le principal avantage des batteries lithium-ion
est leur densité d'énergie élevée. Ils ont une longue
durée de vie et ne souffrent pas de l'autodécharge
ou d'effet mémoire élevé de nickel-cadmium (NiCd)
et de l'hydrure métallique de nickel (NiMH).
Contrairement à l'acide de plomb scellée (sealed
lead acid SLA) et NiCd, batteries Li-ion ne
contiennent pas de métaux lourds toxiques.
Le principal inconvénient des batteries Li-ion est
qu'elles nécessitent une attention particulière à la
sécurité. Surcharge, surchauffe ou court-circuiter
une batterie chargée Li-ion peut provoquer un
incendie ou une explosion. Pour un produit sûr et
durable, les questions de sécurité spécifique Li-ion
doivent être prises en compte dès la conception du
produit.
C’est pour cela que dans les batteries sont
installées des puces qui permettent de mesurer en
permanence la tension, le courant et la
température de chaque cellule. Les données ainsi
recueillies sont envoyées à un ordinateur qui
contrôle la batterie: si elle devient trop chaude,
elle doit être refroidie, de sorte qu'elle ne soit pas
endommagée.
La résistance de la batterie Li-Ion augmente
avec la diminution de la température, tandis que la
capacité de la batterie diminue avec la diminution
de la température. La température de la batterie
affecte les performances du véhicule, la fiabilité,
la sécurité et le coût du cycle de vie.
89
Une équipe de chercheurs de SLAC National
Accelerator Laboratory et de l'Université de
Stanford a trouvé que l'ajout de deux produits
chimiques à l'électrolyte d'une batterie au lithium
empêche la formation de dendrites qui pourraient
causer un court-circuit de la batterie, une
surchauffe et prendre feu. Les résultats, publiés
dans la revue Nature Communications [22],
pourraient aider à éliminer un obstacle majeur au
développement de batteries lithium-soufre et
lithium-air, promettant technologies futures qui
pourraient stocker jusqu'à 10 fois plus d'énergie par
unité de poids que les batteries actuellement
utilisées dans l'électronique grand public et les
voitures électriques.
Nouvelles techniques de séchage, de revêtement,
calandres pour les matériaux d'électrodes et de
nouvelles méthodes d'assemblage de cellules sont
actuellement développées. Un nouveau concept de
salle de séchage a été mis en œuvre; elle peut être
construite dans des conditions extrêmement sèches
dans les cellules lithium-ion. De cela, profite
directement la qualité des cellules. Le point de
rosée, qui est une mesure de la sécheresse de l'air,
est descendu à -80°C, établissant ainsi un nouveau
record dans la fabrication de batteries au lithium.
Face à ces besoins, une technologie innovante a
été développée, fondée sur l’association d’une
architecture bipolaire et d’un matériau à base de
titanate lithié, permettant d’allier puissance
élevée et stabilité [23].
Leur maturité technologique et industrielle ne
devrait pas intervenir avant une voire deux
décennies. D’autres dispositifs de stockage plus
exotiques pourraient passer au stade industriel
dans les années à venir: on compte parmi eux le
stockage inductif par supraconducteur et le volant
d’inertie [21].
Des cellules de batterie à base de magnésium
sont actuellement considérées comme une option
attrayante pour remplacer le lithium dans les
batteries. Le magnésium permet des densités de
stockage plus hautes qu'avec le lithium, il n'est pas
toxique et ne se décompose pas dans l'air, comme
le lithium. Grâce à un électrolyte approprié pour le
magnésium, on peut construire des batteries à
haute capacité et densité de puissance.
Le modèle basé sur l'électrochimie (electrochemistry-based model ECBE [24]) est capable
d'identifier globalement les différents vieillissements provoqués à travers la caractérisation in
situ en temps réel. Avec cette information donnée
au système de gestion de la batterie, il est possible
de surveiller l'état de santé actuel de la batterie,
et on peut alors réduire les charges de la batterie,
à savoir la tension, le courant et la température en
fonction de son état de santé, empêchant la
surcharge, de veiller à la sécurité et de prolonger
la vie d'une batterie.
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Quality ‘95, Bremen, Nov. 7-9, 1995, pp. 317-322.
Biography
Titu-Marius I. BĂJENESCU was born in
Câmpina (România) on April 2, 1933. He
received his engineering training at the
Polytechnic Institute Bucharest. He served
for the first five years in the Romanian Army
Research Institute, including tours on radio
and telecommunications maintenance,
and in the reliability, safety and maintainability office of
the Ministry of Defence (main base ground facilities). R&D
Experience: design and manufacture of experimental
equipment for Romanian Army Research Institute and for air
defence system.
He joined Brown Boveri (today: Asea Brown Boveri) Baden
(Switzerland) in 1969, as research and development
engineer. R&D Experience: design and manufacture of new
industrial
equipment
for
telecommunications.
In 1974, he joined Hasler Limited (today: Ascom), Berne, as
Reliability
Manager
(recruitment
by
competitive
examination). Experience: Set up QRA and R&M teams.
Developed policies, procedures and training. Managed QRA
and R&M programmes. As QRA Manager monitoring and
reporting on production quality and in-service reliability.
As Switzerland official, contributed to development of new
ITU and IEC standards.
In 1981, he joined “Messtechnik und Optoelektronik”
(Neuchâtel, Switzerland, and Haar, West Germany), a
subsidiary of Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) Munich, as
Quality and Reliability Manager (recruitment by competitive
examination). Experience: Product Assurance Manager of
“intelligent cables”. Managed applied research on reliability
(electronic components, system analysis methods, test
methods, etc.).
Since 1985, he has worked as an independent consultant and
international expert on engineering management,
telecommunications, reliability, quality and safety.
Mr. Băjenescu is the author of many technical books −
published in English, French, German and Romanian.
He is university professor and has written many papers and
articles on modern telecommunications, and on quality and
reliability engineering and management. He lectures as
invited professor, visiting lecturer or speaker at European
universities and other venues on these subjects.
Since 1991, he won many Awards and Distinctions,
presented by the Romanian Academy, Romanian Society for
Quality, Romanian Engineers Association, etc. for his
contribution to reliability science and technology. Recently
he received the honorific titles of Doctor Honoris Causa of
the Romanian Military Academy and from Technical
University of the Republic of Moldavia (Chișinău). In 2013,
he obtained, together with prof. Marius Bâzu (head of
reliability laboratory of Romanian Research Institute for
Micro- and Nano-technologies IMT), the "Tudor Tănăsescu"
prize of the Romanian Academy for the book Failure
Analysis, published by John Wiley & Sons.
Correspondence address: La Conversion, Switzerland; email: [email protected]