Un accumulateur lithium est un accumulateur électrochimique dont la réaction repose sur l’élément lithium.
Au début du , ce type d'accumulateur offre la plus grande énergie spécifique (rapport énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (rapport énergie/volume)..
En raison du risque d'explosion et de combustion du lithium dans ce type d'accumulateurs, ceux-ci font l'objet de restrictions dans les transports, en particulier aériens. Les incendies au lithium sont longs à éteindre.
Trois sortes d'accumulateurs
Il existe trois sortes principales d'accumulateurs lithium : l'accumulateur lithium métal, où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité) ; les accumulateurs lithium-ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive (dioxyde de cobalt, dioxyde de manganèse, phosphate de fer) ; les accumulateurs lithium-ion-polymère sont une variante et une alternative aux accumulateurs lithium-ion. Ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.
Contrairement aux autres accumulateurs, les accumulateurs lithium-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur lithium-ion. Ceci explique la profusion de variantes existantes, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales à propos de ce type d'accumulateur, les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance.
Accumulateur lithium-ion thumb|Accumulateur lithium-ion cylindrique avant la fermeture (type 18650).
L'accumulateur lithium-ion fonctionne sur le principe de l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou dioxyde de manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB). L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactivesCNRS, Un nouveau fluorosulfate pour batterie lithium-ion, , 18 décembre 2009.
La tension nominale d’un élément Li-Ion de type NMC (nickel-manganèse-cobalt) est de ou . La densité énergétique des accumulateurs Lithium-ion peut atteindre un niveau de .
En , une équipe du Massachusetts Institute of Technology Re-engineered battery material could lead to rapid recharging of many devices, Massachusetts Institute of Technology. a mis au point un procédé permettant de doper considérablement la vitesse de charge des accumulateurs lithium-ion, que l'on retrouve dans la plupart de nos appareils high-tech. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine des voitures électriques dont le principal problème, outre le coût, est le temps de recharge des accumulateurs.
Accumulateur lithium-fer-phosphate (LFP)
L'accumulateur lithium-fer-phosphate (LFP), aussi appelé LiFe ou LiFePO, a une tension un peu plus faible (~) mais est plus sûr, moins toxique et d'un coût moins élevé que les modèles de type MNC. En effet, le prix des piles et batteries au lithium-ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode qui contient du cobalt ou du nickel, métaux très chers et rendant plus délicat leur approvisionnement auprès de différents fournisseurs.
Dans un accumulateur lithium à technique phosphate, les cathodes standard LiCoxNiyAlzO2 sont remplacées par le phosphate de fer et de lithium LiFePO4, matériau peu cher car ne contenant pas de métaux rares et non toxique contrairement au cobalt. De plus, cette cathode est très stable et ne relâche pas d'hydrogène responsable des explosions et feux des accumulateurs Li-ion, ce qui la rend plus sûre..
Pour un développement industriel dans le véhicule électrique (contenant de l'ordre de d'accumulateurs) une baisse de prix est impérative. En 2007 le coût d'un accumulateur LFP est de plus de et doit être abaissé sous pour atteindre ce marché. . Attention, ce type de batteries requiert l'utilisation d'un système de sécurité BMS (Battery Management System); le BMS rajoute environ 20 % au prix.
Cependant des recherches sont encore en cours pour s'assurer de leur durée de vie, amener leur capacité au niveau des autres techniques Li-ion et, à long terme, améliorer leur tenue à des températures élevées : il semblerait que la dissolution du fer (favorisée par la température) nuise à la cyclabilité de ce type d'accumulateur.
Caractéristiques Sa densité massique est de . prévue en 2020, et la densité volumique est de , c'est donc une batterie puissante, mais lourde pour sa taille comparé aux technologies NCM (nickel-cobalt-manganèse).
La durée de vie (80 % de capacité) annoncée des batteries est de l'ordre de sept ans et à à , ou encore trois ans et à à .. Il semblerait que les batteries supportent bien les hautes puissances et hautes températures mais que cela dégrade leur durée de vie.
Avantages Par rapport aux autres accumulateurs, l'accumulateur LFP présente : coût plus faible ; plus longue durée de vie ; moins réactive thermiquement ; puissance massique et volumique élevée ; absence de Cobalt (problème d'éthique due aux conditions d’extraction en RDC.).
Inconvénients Capacité massique plus faible. Tension plus faible, ce qui nécessite plus de cellules en série pour fabriquer une batterie de traction de véhicule électrique.
Accumulateur lithium-ion polymère (Li-Po) L'électrolyte est un polymère gélifié. L'accumulateur Li-ion polymère utilise un principe de fonctionnement semblable aux accumulateurs Li-ion et a des caractéristiques proches.
La tension d'un élément Li-Po est de ; plusieurs éléments sont généralement assemblés en « packs » : dans un assemblage en série, les tensions sont additionnées, pour obtenir (, , ) ; dans un assemblage en parallèle, la capacité du pack est la somme de celle de chaque élément.
Avantages Accumulateur pouvant prendre des formes réduites et variées (aéromodélisme, smartphones, tablettes). Peuvent être déposées sur un support flexible. Faible poids (le Li-Po permet d'éliminer la lourde enveloppe de métal).
Faiblesses Plus cher que le Li-ion. Densité énergétique moins élevée que les Li-ion. Plus fragile que le Li-ion, l'enveloppe étant fragile si elle n'est pas complétée par une protection mécanique. Durée de vie moins élevée, notamment lorsqu'il est utilisé pour la pratique de modèle réduit avec un fort taux de décharge
Utilisation Les accumulateurs au lithium sont la source d'énergie de la plupart des smartphones, tablettes et ordinateurs portables modernes.
Des accumulateurs lithium-polymère sont couramment utilisés pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits (voitures, avions, drones), aux ULMs et paramoteurs, vélos à assistance électrique, motos, scooters, karts, ainsi qu'en motorisation principale ou de secours des bateaux.
Dans le domaine aéronautique, certains modèles (par exemple les produits des sociétés Yuneec (Chine) et Electravia (France) utilisent depuis des batteries lithium-polymère industrielles comme source principale d'énergie. C'est également grâce à cette technologie que, le ., le Solar Impulse, un prototype d'avion solaire suisse, a effectué avec succès son premier vol.
L'astromobile Opportunity embarque une batterie d'accumulateurs au lithium-ion rechargeable par ses panneaux solaires. Il a fonctionné pendant de nombreuses années malgré un froid intense à sur la planète Mars..
Accumulateur lithium-air
L'accumulateur lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (typiquement entre en pratique pour un chiffre théorique de « Lithium Primary Continues to Evolve », sur batteriesdigest.com). Cela est dû au fait, d'une part, que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans l'accumulateur (comme dans la plupart des piles et accumulateurs à air), mais, surtout, à la faible masse atomique et aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène. Fournissant une tension de , elle présente toutefois certains inconvénients : corrosion, besoin de filtres (exige un air très pur) et faible puissance spécifique ( - ). Ces batteries ne sont pas encore commercialisées et nécessiteront encore des années de recherche en laboratoire« Batterie Lithium-Air : un nouveau souffle pour la voiture électrique », sur cartech.fr, 22 décembre 2009..
En , BMW et Toyota collaborent afin de développer la prochaine génération de batteries lithium-air, qui seront utilisées dans des véhicules hybrides et électriques « BMW Group and Toyota Motor Corporation Deepen Collaboration by Signing Binding Agreements » (communiqué de presse), BMW, 29 janvier 2013. « BMW Group and TMC Deepen Collaboration by Signing Binding Agreements » (communiqué de presse), Toyota, septembre 2014..
Accumulateur lithium métal polymère (LMP) Des batteries lithium métal polymère (LMP), visant le marché automobile, sont développées par deux sociétés, Batscap (Ergué-Gabéric, France) et Bathium (ex-Avestor) (Boucherville, Québec). Cette dernière a été rachetée le par le groupe français Bolloré (propriétaire à 95 % de Batscap) en prévision de son utilisation sur le véhicule électrique du groupe, la Bluecar, utilisée en particulier dans le réseau en autopartage Autolib de Paris.
Les accumulateurs LMP se présentent sous la forme d'un film mince enroulé. Ce film, d'une épaisseur d'une centaine de micromètres, est composé de cinq couchesLa batterie lithium métal polymère - La technologie, sur batscap.com : Isolant ; Anode : feuillard de lithium Électrolyte : composé de polyoxyéthylène (POE) et de sels de lithium Dans le cas de la batterie de la société Batscap.. Cathode : composée d'oxyde de vanadium, de carbone et de polymère . Collecteur de courant : feuillard de métal, permettant d'assurer la connexion électrique.
Caractéristiques La densité massique est de La batterie lithium métal polymère - Les caractéristiques, sur batscap.com, soit inférieure à celle des batteries lithium-ion, mais près de plus élevée que celle des batteries au plomb (~), la structure en film mince étant légère et maximisant la surface utile de stockage d'énergie. Il n'y a pas d'effet mémoire ; on n'a donc pas besoin de vider complètement l'accumulateur avant de le recharger. La durée de vie annoncée des batteries utilisant cette technique est de l'ordre de dix ans.
Avantages Entièrement solide (pas de risque d'explosion) Pas de polluant majeur dans la composition de l'accumulateur (sauf si utilisation d'oxyde de vanadium). Recyclage facile (par broyage et séparation des composants)
Inconvénients Fonctionnement optimal à température élevée, ce qui a pour conséquence que les batteries Les batteries LMP Bolloré pas si écologiques ?, sur le site voiture-electrique-populaire.fr, consulté le 10 décembre 2013, température de fonctionnement avérée pour les batteries Batscap, ayant une température interne annoncée de 60 à . Pour être maintenue à , la batterie puise dans ses propres réserves et peut, dans certains cas, se vider en trois jours ; cette contrainte est différente de l'auto-décharge de la batterie, qui elle est de l'ordre de 9 % par mois. Une batterie « froide » nécessite d'être réchauffée avant utilisation, ce qui rallonge d'autant la mise en service d'un véhicule qui en est équipé..
Accumulateur lithium-soufre