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  • La bluecar apparaît enfin, dans un silence étonnant...

  • De gauche à droite, Philippe Moreau, Florent Boucher, Dominique Guyomard, Patrice Bardin et Guy Ouvrard.

  • Le personnel de l'IMN, très intéressé par les véhicules.

  • Philippe Moreau, chercheur dans l'équipe ST2E,...

  • Guy Ouvrard, Directeur de l'IMN, ...

  • Dominique Guyomard (responsable Equipe ST2E) rappelle l’historique du travail de l’IMN sur les batteries LMP

La Technologie des batteries LMP

Extraits de la thèse de Margaud LECUYER, soutenue en 2014 à l’IMN :

Contrairement aux accumulateurs Li-ion, les accumulateurs Li-métal sont composés d’une anode en lithium métallique (exploitation directe du système Li+/Li). L’avantage de ce type d’électrode est double : non seulement elles procurent une densité d’énergie plus élevée mais elles permettent également l’assemblage des cellules à l’état chargé. Ceci peut être intéressant dans le cas de l’utilisation de composés plus stables ou naturels à l’état délithié, mais synthétiques ou réactifs à l’air à l’état lithié : la technologie lithium/soufre en est un bon exemple (voir rubrique Le futur des batteries électriques).

A ce jour, peu d’industriels commercialisent ce type d’accumulateurs. La majorité du marché est détenue par le groupe Bolloré au travers de ses deux usines française et canadienne appartenant à la filiale BlueSolutions (anciennement respectivement Batscap et Bathium (anc.Avestor)). Les applications de ces batteries sont diverses : à l’heure actuelle, elles sont utilisées dans l’automobile et sont principalement visibles dans des systèmes d’auto-partage tel qu’Autolib® à Paris (depuis 2011) ou dans des microbus électriques, mais aussi pour des applications stationnaires. Leur utilisation dans des véhicules électriques permet d’atteindre une autonomie plus élevée qu’avec la technologie Li-ion : ainsi, une Bluecar® Bolloré peut parcourir 250 km sans recharge en utilisation urbaine contre tout juste 210 km pour la Renault Zoé par exemple.

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Principe de fonctionnement d’une batterie Li-métal en décharge

Les accumulateurs lithium-métal contiennent généralement un électrolyte solide polymère. Celui-ci permet de s’affranchir des problèmes de dendrites qui apparaissent rapidement avec un séparateur classique imbibé d’électrolyte liquide tels que ceux utilisés pour les accumulateurs Li-ion. Une dendrite est en fait une excroissance qui se développe lors du dépôt d’une couche fraîche de lithium métallique en charge (cf. Figure). En effet, ce dépôt a tendance à être inhomogène, sous les actions conjointes de gradients de concentration dans l’électrolyte, de champ électrique à la surface de l’électrode (effets de pointe) ou encore d’inhomogénéités dans la cathode qui induisent des disparités de fonctionnement entre certaines zones de la cellule. En bref, c’est un problème inhérent au phénomène d’électro-cristallisation que l’on retrouve aussi avec beaucoup d’autres métaux comme le cuivre, l’étain ou encore l’argent.

L’empêchement de la croissance dendritique est essentiel pour assurer la sécurité des accumulateurs LMP. Concrètement, il est permis par l’introduction en addition du poly(oxyde d’éthylène) (POE) d’un deuxième polymère, classiquement un copolymère du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), de façon à former deux réseaux co-continus. Ce dernier doit, pour jouer une action anti-dendrite, présenter des domaines cristallins aux températures de fonctionnement de l’accumulateur, afin de conférer une bonne tenue mécanique à l’électrolyte polymère. Cette propriété permet d’éviter la déformation de la surface de l’électrode de lithium lors de la charge, en empêchant le dépôt inhomogène de ce dernier.

Ainsi, une batterie lithium-métal polymère est composée de l’empilement successif de quatre couches :

  • un feuillard de lithium,
  • un électrolyte polymère à base de POE,
  • une cathode
  • un collecteur de courant constitué d’un feuillard métallique
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Dendrite de lithium imagée par microscopie électronique à balayage

L’électrolyte polymère utilisé apporte un grand avantage en termes de sécurité puisqu’il évite l’utilisation de solvants potentiellement dangereux en cas de surchauffe. De telles batteries peuvent ainsi travailler à de hautes températures sans risques d’explosion. En contrepartie, du fait de la faible conductivité ionique de l’électrolyte polymère à température ambiante, leur température de fonctionnement doit être maintenue relativement élevée (typiquement entre 70 et 100°C). Ceci implique d’utiliser une partie de l’énergie qu’elles stockent pour leur maintien en chauffe. Les axes de recherche principaux visent donc à abaisser au maximum cette température de fonctionnement tout en conservant l’avantage de la sécurité en cas de surchauffe.

L’électrode positive de ces accumulateurs est à ce jour principalement constituée de phosphate de fer lithié (LiFePO4), mais il est également possible d’utiliser d’autres matières actives comme l’oxyde de vanadium (LiV3O8). L’utilisation de POE implique en revanche de ne pas dépasser la tension de 3,7 V pour l’élément unitaire, sous peine de dégrader irréversiblement ce dernier. Ceci limite donc le choix possible concernant les matières actives d’électrode positive. La seule différence entre le fonctionnement d’un accumulateur Li-ion et celui d’un accumulateur Li-métal est le dépôt d’une couche fraîche de lithium métallique lors de la charge, et la consommation de cette couche lors de la décharge. Ces phénomènes remplacent l’intercalation des ions lithium dans l’électrode de graphite des accumulateurs Li-ion. Ce principe de fonctionnement est schématisé sur la figure.

Tout comme les batteries Li-ion, le principal inconvénient de cette technologie réside dans son prix élevé. Ainsi, de nombreuses études visent à abaisser celui-ci en limitant les coûts de production et en cherchant à utiliser des matières premières bon-marché. Par ailleurs, afin de rendre les systèmes embarqués toujours plus attractifs, un des plus importants sujets de recherche en cours vise à augmenter encore l’autonomie des systèmes de stockage : c’est dans ce contexte que se situe l’intérêt des batteries lithium-soufre (voir Le Futur des batteries pour véhicules électriques)

 

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