Malgré la facilité du stockage des sources d'énergies fossiles dites conventionnelles (pétrole, gaz, charbon...), leurs capacités de stockage restent limitées vu qu'elles sont épuisables. Leur prix sont instables et liés aux événements géopolitiques étant donné que leur matière première est limitée géographiquement. En plus, ces sources sont les principales origines d'émission des gaz à effet de serre, notamment le CO2, qui sont la cause de changements climatiques. Afin de remédier aux défis de disponibilité, de prix et des impacts environnementaux, les énergies renouvelables (solaire, éolienne, hydroélectrique...) occupent de plus en plus la place principale dans le mix énergétique mondial. Toutefois, l'intermittence de ces sources d'énergie présente un défi d'approvisionnement continu en énergie, de sorte qu'un réservoir d'énergie est nécessaire pour garantir un approvisionnement continu en énergie produite. Le moyen le plus courant d'exploiter les énergies renouvelables est de les convertir en électricité dont la production industrielle et la vie sociale sont de plus en plus importantes. Par conséquent, la mise en place de dispositifs de stockage de l'énergie électrique produite permet une utilisation efficace des nouvelles énergies dites propres ou vertes. Il existe une multitude de méthodes de stockage d'énergie électrique : mécanique, thermique, électromagnétique et électrochimique. La dernière est la plus utilisée à l'échelle industrielle via l'usage des batteries électrochimiques. Cependant, ces dernières, surtout les batteries à plomb acide très utilisées jusqu'aujourd'hui, présentent des limitations de durée de vie et des conditions d'utilisation telle qu'une température en plus de leur encombrement nécessitant des locaux de surfaces importantes. Le coût global étalé sur une durée de quelques années devient trop cher. Dans le but de garantir un stockage dans des conditions optimales, le recours aux batterieslithium-ion à grande échelle et aux secteurs d'industrie et de services devient de plus en plus familier en raison des avantages que présente cette technologie : longue durée de vie, une énergie spécifique élevée, bonne performance de décharge, une sécurité élevée et une petite taille. Actuellement, la batterie au lithium est devenue une direction de développement principale du domaine des batteries. Historique du développement des batteries au lithium-ion L'histoire de l'électrochimie commence avec le physicien italien Alessandro Volta, qui a annoncé son invention de la pile voltaïque, la première pile électrique moderne, en 1800, constituée de deux électrodes métalliques (zinc et cuivre) séparées par un tissu imprégné d'une solution saline. En 1833, l'anglais Michael Faradayrévèle les liens entre l'énergie électrique et l'énergie chimique via sa théorisation du phénomène d'électrolyse. Il introduit ainsi de nouveaux termes : électrode, anode, cathode, électrolyte pour définir les constituants d'une cellule électrochimique. Trois ans plus tard, le chimiste britannique John Frederic Daniell développe une forme améliorée de pile électrique, composée de cuivre et de zinc dans de l'acide sulfurique pour répondre aux besoins naissants des télécommunications sans fil. Ce n'est qu'en 1859 que la première batterie rechargeable au plomb-acide sulfurique a vu le jour grâce au physicien français Gaston Planté. Cependant, Il a fallu attendre Gramme et sa dynamo environ dix années plus tard pour trouver une application industrielle à cette batterie. Ainsi, la batterie de Planté remplace toutes les autres batteries alors utilisées pour les véhicules. En 1899, l'ingénieur suédois Waldemar Jungner a inventé la pile au nickel-cadmium (NiCd). Deux ans après, Thomas Edison a remplacé le cadmium par le fer, et cette batterie a été appelée nickel-fer (NiFe). Ce n'est qu'en 1932 que Schlecht et Ackermann ont obtenu des courants de charge plus élevés et amélioré la longévité du NiCd. Dans les années 1990, le nickel-hydrure métallique (NiMH) a pris la relève pour résoudre le problème de toxicité du NiCd. Les travaux sur la batterie au lithium ont commencé en 1912 par le chimiste américain Gilbert Newton Lewis. Le lithium-ion a été largement développé par les américaincs John Goodenough et Stanley Whittingham (Etats Unis), le marocain Rachid Yazami et le japonais Akira Yoshino dans les années 1970s et 1980s. Mais il fallait attendre jusqu'à 1991 pour la commercialisation de la première batterie Lithium-ion (Li-ion) rechargeable par les japonais Sony et Asahi Kasei. Le succès sur les batteries Li-ion ouvre ainsi une nouvelle ère pour les batteries. Performances de base et technologies clés Le lithium (Li) est le métal ayant le plus faible poids atomique (6,94) dans le tableau périodique des éléments chimiques. Sa densité est la plus faible des métaux (0,534 g/cm3, 20°C). De plus, il a le plus petit équivalent électrochimique (0,26 g/Ah) et le plus faible potentiel d'électrode (-3,045 V). Le taux d'autodécharge des piles au lithium-ion est beaucoup plus faible que celui d'autres piles rechargeables telles que les formes nickel–cadmium (Ni-Cad) et nickel–metal hydride (NiMH). Il est généralement d'environ 5% dans les 4 premières heures après avoir été chargé, mais tombe ensuite à un chiffre d'environ 1 ou 2% par mois. La tension produite par chaque pile au lithium-ion est d'environ 3,6 volts ce qui nécessite moins de piles que les autres types de cellules des batteries comme le plomb ouvert (2V) dans de nombreuses applications. L'un des principaux avantages des batteries lithium-ion est qu'elles ne nécessitent pas d'entretien pour assurer leur performance. Il existe plusieurs types de piles au lithium-ion. Cet avantage des piles au lithium-ion peut signifier que la bonne technologie peut être utilisée pour l'application particulière requise. Les principaux types sonts : l'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2) utilisé dans les téléphones mobiles, les PC portables et les caméras; l'oxyde de manganèse et de lithium (LiMn2O4) utilisé pour les outils électriques, les instruments médicaux, ainsi que les véhicules hybrides et électriques; L'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (LiNiMnCoO2) qui est le choix pour les vélos électriques et autres groupes motopropulseurs électriques; Le phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) qui est la tendance pour le remplacement des batteries au plomb-acide pour les applications stationnaires comme les télécommunications. Comme toute technologie, les batteries lithium-ion présentent certaines limites : son coût de fabrication est très élevé par rapport aux autres types (40 % plus chers que ceux des batteries nickel cadmium et 2,7 fois plus cher que les batteries plomb) ; la cellule Li-ion est fragile et nécessite un circuit de protection intégré dans chaque back pour maintenir un fonctionnement sûr en maîtrisant sa tension crête de charge et sa profondeur de décharge ; problème de vieillissement nécessitant certaines conditions de stockage (15°C avec 40% de charge) malgré l'amélioration continue par les fabricants... Fonctionnement des batteries Lithium-ion Une batterie d'accumulateurs appelé plus communément « batterie », est un assemblage d'accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont des générateurs réversibles. Chaque accumulateur peut stocker l'énergie électrique sous forme chimique puis la restituer à tout moment sur demande grâce à la réversibilité de la transformation. Une réaction d'oxydoréduction est ainsi activée au sein d'une cellule élémentaire entre deux électrodes baignant dans un électrolyte, lorsqu'une charge est branchée à ses bornes. L'accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible et donc rechargeable, contrairement à une pile. Le lithium est un métal dont les atomes sont composés, entre autres éléments, de trois électrons et de trois protons. Il possède la caractéristique de céder facilement un électron. Il devient alors un ion, d'où le terme Lithium-Ion. L'électrode positive est généralement fabriquée à partir d'un composé chimique appelé oxyde de lithiumcobalt (LiCoO2) ou, dans les batteries plus récentes, à partir de phosphate de fer et de lithium (LiFePO4). L'électrode négative est généralement faite de carbone (graphite) et l'électrolyte varie d'un type de batterie à l'autre. Toutes les batteries au lithium-ion fonctionnent à peu près de la même manière. Lors de la charge, l'électrode (LiCoO2, LiFePO4 ou autre selon le type de la batterie Li-ion) cède une partie de ses ions lithium, qui passent à travers l'électrolyte vers l'électrode négative en graphite et y restent. Lorsque la batterie se décharge, les ions de lithium retournent à travers l'électrolyte vers l'électrode positive, produisant l'énergie qui alimente la batterie. Dans les deux cas, les électrons circulent dans le sens opposé aux ions autour du circuit extérieur. Les électrons ne traversent pas l'électrolyte : il s'agit en fait d'une barrière isolante, en ce qui concerne les électrons. Tendances et perspectives Les batteries lithiums sont principalement produites au Japon, en Corée du Sud et en Chine. À mesure que les technologies de production et le niveau des batteries lithiumion en Chine et en Corée du Sud s'améliorent, la proportion de batteries lithium livrées par les deux pays augmente, tandis que la proportion de batteries lithium-ion livrées par le Japon diminue. Une analyse de BloombergNEF indique qu'au début de 2019, la capacité mondiale de fabrication de piles au lithium était de 316 gigawatt-heures (GWh). La Chine abrite 73 % de cette capacité, suivie par les Etats-Unis, loin derrière en deuxième position avec 12 % de la capacité mondiale. Les perspectives indiquent que les batteries lithium-ion vont de plus en plus remplacer les batteries au plomb dans les secteurs du transport et de l'équipement lourd. Les lithiums sont déjà largement utilisés dans les domaines de la construction, de l'énergie, de l'armée et dans d'autres domaines comme vecteurs d'énergie nouvelle. Les principaux domaines d'application des batteries lithium à l'avenir seront les outils électriques, les véhicules électriques légers, les véhicules énergétiques neufs et les systèmes de stockage d'énergie. Par Hewen LU (Louis), Wireless Account Manager à Huawei Morocco L'échelle industrielle dans ces domaines continuera d'augmenter à plusieurs reprises au cours des prochaines années, ce qui stimulera directement la demande de batteries lithiums. Sources : https://www.electrochem.org/birth-of-electrochemistry https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/stockage-del-energie-42638210/de-volta-aux-accumulateurs-li-ion-be8620/de-la-pile-volta-auxpremieres-technologies-d-accumulateurs-commerciaux-be8620niv10001.html https://www.britannica.com/technology/battery-electronics/Development-ofbatteries https://stockage.paleo-energetique.org/paleoinventions/laccumulateur-plomb-degaston-plante/ https://batteryuniversity.com/learn/article/when_was_the_battery_invented https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/batterytechnology/li-ion-lithium-ion-advantages-disadvantages.php https://www.explainthatstuff.com/how-lithium-ion-batteries-work.html https://www.forbes.com/sites/rrapier/2019/08/04/why-china-is-dominating-lithiumion-battery-production/#7a4bf7443786
