Proposé par Louis Viratelle, mis à jour le 18 janvier 2020.

Une technologie qui découle de travaux sur le long terme

Les premiers travaux de recherche sur la batterie au Lithium datent de 1912. Ils sont produits par le chimiste Américain Gilbert Lewis connue pour sa théorie de partage d’électrons dans la liaison chimique. C’est aussi lui qui proposa le terme photon pour le quantum d’énergie rayonnante que nous avons abordé dans le LexTech sur la photographie.
La première pile (non rechargeable) date des années 1970, à ne pas confondre avec la première batterie rechargeable qui date des années 80.
La commercialisation de la première la première pile NiMH date de 1990, ce type de pile repose sur un accumulateur Nickel hydrure métallique. C’est en fait l’électrode qui est constituée du matériau spécifié. Nous verrons par la suite que l’électrode est un composant majeur de la pile et que sa matière peut changer en fonction du type de pile.

Première pile NiMH, commercialisée en 1990.

Dans ce texte, nous allons nous attarder sur le fonctionnement simplifié de la pile Lithium-ion, technologie la plus utilisée de nos jours pour le stockage chimique d’énergie. C’est cette technologie qui équipe les voitures électriques (grand volume d’énergie), au même titre que la plupart des appareils électriques mobiles que nous possédons (télécommande, smartphone, montre connectée, souris d’ordinateur, écouteur sans fil, enceinte bluetooth etc…)

La batterie au Lithium-ion est donc majoritairement composée de ce métal, qui est le plus léger de tous. Ce dernier a été avantagé des autres pour son comportement très intéressant lors des transformations électriques / chimiques. C’est également un métal que nous savons extraire en d’assez grande quantité (mais de manière très polluante et onéreuse quand c’est réalisé dans de bonnes conditions) et qui est assez abondant sur terre pour produire massivement ce type de batterie. Le Lithium fait parti des terres rares, terres qui malgré leur nom ne sont pas rares mais très éparpillée sur notre planète. Du fait de cette caractéristique, il est beaucoup plus compliqué d’extraire le métal (utilisation de technique d’évaporation avec des conséquences sur l’environnement, émission de carbone etc…).

Pour mieux comprendre le fonctionnement d’une batterie, comprenons comment fonctionne l’électricité. L’électricité est un effet de déplacement de particules chargés à l’intérieur d’un conducteur. Toute la matière est constituée d’atomes. L’atome lui même est composé d’un noyaux, qui concentre la majeure partie de la masse de l’ensemble et d’électrons, en quantité variable. C’est le mouvement, la passation de ces électrons entre les atomes présents dans un conducteur (le cuivre, le métal etc…) qui constitue l’électricité. Le terme désigne alors ce flux explicable à l’échelle atomique. Le but d’une batterie est alors de provoquer la transition de ces électrons chargés négativement par effet dominos, entre les atomes à travers un matériau conducteur, qui s’oppose à ceux isolants (par exemple la céramique ne permet pas de faire transiter facilement les électrons entre les atomes).

Principe de fonctionnement d’une cellule au Lithium (une batterie correspond à plusieurs cellules). NB: Électrode + correspond à cathode et électrode correspond à anode.

Le fonctionnement d’une batterie Lithium-ion est complexe

La composition de la cellule au Lithium-ion est une accumulation de couches aux propriétés chimiques divergentes afin de libérer ou de stocker des électrons négatifs. La première couche du schéma est un collecteur du courant en aluminium. Ses propriétés permettent d’assurer le déroulement des réactions et le rôle de l’électrode négative, appelé cathode. La cathode est séparée de l’anode par un électrolyte. Leur propriété étant différente, leur contact provoquerait des réactions dangereuses (échauffement pouvant aboutir à une combustion). L’électrolyte est une substance conductive qui peut être de la forme liquide ou solide. La bonne conductivité de l’électrolyte est dû à la mobilité des ions qu’elle possède. Ce composé permet donc de laisser passer librement les électrons mais est perméable au contact entre les électrodes positives et négatives. Ces deux électrodes sont le support du stockage des ions Li+. Lors de la recharge de la batterie, les ions Li+ transitent au travers de l’électrolyte de la cathode à l’anode. Cette transition permet de stocker les électrons négatifs au travers d’une insuffisance dans le couple d’oxydo-réduction (voir la suite du texte). Lors de la décharge de la batterie, la réaction opposée se produit, les électrons négatifs se libèrent de la batterie et les ions Li+ transitent cette fois-ci de l’anode à la cathode. L’autre extrémité de la cellule Lithium-ion est composée d’un collecteur de courant en cuivre. C’est cette matière précise qui est utilisée pour que la réaction soit en mesure de se produire.
Notons enfin que l’ensemble de la batterie est recouverte d’un isolant, qui permet de relier les cellules afin d’augmenter la puissance électrique que peut fournir la batterie dans son ensemble. Egalement, cette couche protectrice limite l’ensemble des cellules aux variations de températures et aux chocs. Il est question de rendre le plus hermétique possible les composés chimiques de l’environnement extérieur, pour éviter lors de fuites chimiques ou de surchauffe anormale que les réactions se propagent au delà de la batterie. En effet, les batteries sont des composants instables, qui ont des phases d’évolution de leur état très importantes tout au long de leur vie. Elles sont très sensibles à la température et aux environnements hostiles qui abîment plus facilement leurs cellules.
Au fil du temps, ces cellules vont perdre en efficacité jusqu’à rendre le composant inexploitable. La tension, l’intensité et la durée d’alimentation sont des paramètres qui vont diminuer. Les batteries au Lithium-ion ne fonctionnent plus indéfiniment si leur décharge est complète. C’est pour cela que la plupart de nos appareils cessent de fonctionner même si la batterie est encore en mesure d’alimenter convenablement les composants.

Équation d’oxydo-réduction de la cellule Lithium-ion en fonction de sa charge et de sa décharge (discharge) ainsi que de l’élément Cathode et Anode.

Les cellules de la batterie ont une capacité de stockage des électrons limité et connue lors de sa conception. Cette capacité peut s’exprimer en ampère par heure (Ah) et diminue à mesure que le composant est usé. Outre ce point, les cellules possèdent un état spécifique favorable à leurs préservations. Quand la batterie est chargé en électron entre 40 à 60 % de sa capacité maximale, les cellules sont moins sensibles au vieillissement. C’est pour cela que beaucoup de nos appareils haute technologie possèdent ce niveau de charge lors de leur première utilisation.
Pour préserver la batterie d’un appareil, il est plus approprié de garder le composant au niveau de sa capacité moyenne plutôt qu’à ses extrêmes. En effet, charger une batterie à son maximum permet de réinitialiser l’estimation logicielle de son niveau de charge (qui prend en compte la puissance d’alimentation que requiers les composants, la puissance minimale de la batterie, l’évolution de la décharge au cours du temps etc…). Forcer une batterie à emmagasiner plus d’électrons que son équation d’oxydo réduction le permet pourrait endommager cette dernière. Pour éviter cela, la recharge est contrôlée de manière logicielle et une fois le seuil maximum atteint,  l’alimentation externe est coupée. Quand elle est déchargée à nouveau (à cause du temps ou de la consommation des composants), la charge s’active une fois supplémentaire. De ce fait le seuil maximum de charge oscille entre 98 et 100 % jusqu’à que l’alimentation soit coupée.
Laisser son appareil en charge n’a pas de conséquence grave et ne nuit que peu à la batterie sur la court terme. A l’échelle de la semaine, du mois voir de l’année laisser en charge les batterie provoque un vieillissement prématuré des cellules, ces dernières s’usant plus rapidement en ces extrêmes. En plus de cela, la chauffe que provoque l’alimentation de la batterie abîme plus rapidement cette dernière.

L’extraction du Lithium est moins terrible que vous ne le pensez

Maintenant que nous avons éclairci le fonctionnement de la batterie au Lithium-ion, découvrons comment nous sommes en capacité d’obtenir un composant aussi majeur que celui-ci dans l’industrie technologique. Vous l’aurez compris, l’ingrédient principal de ce type de batterie est le lithium. Nous allons donc étudier comment ce métal est extrait de terre.

Contrairement aux apparentes images que nous avons des mines d’extraction du Lithium, le procédé n’est en aucun cas comparable avec l’extraction du pétrole ou encore d’autre métaux tel que le cuivre. Il n’est pas question d’utiliser des explosifs pour accéder aux zones riches en Lithium, ni de le séparer des autres terres via l’utilisation de produits corrosifs (comme par exemple ce que le cuivre demande).
La majorité du Lithium exploité se trouve en zone très humide. La matériau est sensible à l’air ambiant ainsi qu’à l’eau. C’est l’une des contraintes de son extraction, car ces deux milieux ne doivent rencontrer le Lithium. 95% du Lithium est produit en pompant de la saumure (solution aqueuse d’un sel, généralement de chlorure de sodium, exemple : sel de cuisine) sous la terre, dans des lacs salés. Par la suite, il s’agit de laisser l’eau s’évaporer dans des cuves de grandes contenances, directement à l’exposition à l’air ambiant. Il est aussi possible d’obtenir le métal en le disposant des des marais salantes. Par la suite et une fois l’étape de l’évaporation procédé, il est question de séparer le Lithium de quelques composés autre par électrolyse (technique qui consiste à faire une décomposition chimique grâce à un courant électrique).
Un autre procédé pour obtenir le Lithium de manière plus pure que l’évaporation consiste à traiter la saumure au Chlore pour obtenir du Carbonate de Lithium à 99%. Par la suite, il est question de réaliser une calcination.

Si l’extraction est en soit pas des plus polluantes, c’est le manque de moyens financiers des lieux d’exploitations qui a des conséquences sur les écosystèmes naturels (bien que ces lieux en sont peu riche) et les populations locales. En effet, la mauvaise gestion d’extraction aboutit à des contaminations des sols, des développements de cancers et d’intoxications (les conditions humaines de travail dans ce genre de lieu n’étant pas autant rigoureuse que dans des pays telle que France, par exemple).
Enfin et cette information conclura ce texte, la quantité de Lithium estimée sur terre est telle qu’elle ne suffirait pas à remplacer ne serait-ce le parc automobile actuel mondial. Au vu de la tendance actuelle d’électrification des voitures au même titre que beaucoup d’objet de notre quotidien, trouver des alternatives tel que les batteries au carbone n’est pas une éventualité mais une nécessité, pour contrer des potentiels pénuries mais également pour limiter les conséquences écologiques des batteries. C’est également une chance de pouvoir développer une technologie plus performante et qui accuse une meilleure durée de vie.  

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