Principe de fonctionnement des batteries au lithium

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1 Principe de fonctionnement des batteries au lithium Université de Pau et des pays de l Adour Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l Environnement et les Matériaux 22 juin / 18

2 Sommaire 1 Un peu d histoire 2 Électricité, pile, batterie 3 Batterie Lithium ion 2 / 18

3 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

4 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

5 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

6 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

7 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

8 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

9 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

10 Les batteries dans l histoire Alessandro Volta ( ) Empilement de Waldmar Jungner disque de cuivre Pile composée de et de zinc Nickel Cadmium et potasse Ni-Cd Li-ion 3 / 18 Gaston Planté ( ) Plomb et acide sulfurique 1 ère batterie rechargeable. 1 ère batterie au lithium 1 ère batterie lithium ion Sony lance la 1 ère batterie lithium ion en grande distribution

11 Sommaire 1 Un peu d histoire 2 Électricité, pile, batterie 3 Batterie Lithium ion 4 / 18

12 Un peu d électricité? La batterie a combien de pôle? deux pôles : un pôle positif et un pôle négatif.? Dans quel sens se déplace le courant électrique? Du pôle positif au pôle négatif.? Dans quel sens se déplacent les électrons? Du pôle négatif au pôle positif. Les électrons, chargés négativement sont attirés par le pôle positif. 5 / 18

13 Un peu d électricité + -? La batterie a combien de pôle? deux pôles : un pôle positif et un pôle négatif.? Dans quel sens se déplace le courant électrique? Du pôle positif au pôle négatif.? Dans quel sens se déplacent les électrons? Du pôle négatif au pôle positif. Les électrons, chargés négativement sont attirés par le pôle positif. 5 / 18

14 Un peu d électricité + -? La batterie a combien de pôle? deux pôles : un pôle positif et un pôle négatif.? Dans quel sens se déplace le courant électrique? Du pôle positif au pôle négatif.? Dans quel sens se déplacent les électrons? Du pôle négatif au pôle positif. Les électrons, chargés négativement sont attirés par le pôle positif. 5 / 18

15 Un peu d électricité + -? La batterie a combien de pôle? deux pôles : un pôle positif et un pôle négatif. I? Dans quel sens se déplace le courant électrique? Du pôle positif au pôle négatif.? Dans quel sens se déplacent les électrons? Du pôle négatif au pôle positif. Les électrons, chargés négativement sont attirés par le pôle positif. 5 / 18

16 Un peu d électricité + -? La batterie a combien de pôle? deux pôles : un pôle positif et un pôle négatif. I? Dans quel sens se déplace le courant électrique? Du pôle positif au pôle négatif.? Dans quel sens se déplacent les électrons? Du pôle négatif au pôle positif. Les électrons, chargés négativement sont attirés par le pôle positif. 5 / 18

17 Un peu d électricité + -? La batterie a combien de pôle? deux pôles : un pôle positif et un pôle négatif. I e-? Dans quel sens se déplace le courant électrique? Du pôle positif au pôle négatif.? Dans quel sens se déplacent les électrons? Du pôle négatif au pôle positif. Les électrons, chargés négativement sont attirés par le pôle positif. 5 / 18

18 De quoi est composé une pile? électrons électrons Deux électrodes Un électrolyte? Piles ou batteries? 6 / 18 Une pile est non rechargeable Une batterie (ou accumulateur) est rechargeable

19 De quoi est composé une pile? Electrode 1 Electrode 2 électrons électrons Deux électrodes Un électrolyte? Piles ou batteries? 6 / 18 Une pile est non rechargeable Une batterie (ou accumulateur) est rechargeable

20 De quoi est composé une pile? Electrode 1 Electrode 2 Électrolyte électrons électrons Deux électrodes Un électrolyte? Piles ou batteries? 6 / 18 Une pile est non rechargeable Une batterie (ou accumulateur) est rechargeable

21 De quoi est composé une pile? Electrode 1 Electrode 2 Électrolyte électrons électrons Deux électrodes Un électrolyte? Piles ou batteries? 6 / 18 Une pile est non rechargeable Une batterie (ou accumulateur) est rechargeable

22 De quoi est composé une pile? Electrode 1 Electrode 2 Électrolyte électrons électrons Deux électrodes Un électrolyte? Piles ou batteries? 6 / 18 Une pile est non rechargeable Une batterie (ou accumulateur) est rechargeable

23 Sommaire 1 Un peu d histoire 2 Électricité, pile, batterie 3 Batterie Lithium ion 7 / 18

24 Batterie Lithium-ion un exemple Regardons de plus près la batterie d un appareil photo numérique 8 / 18

25 Batterie Lithium-ion un exemple Regardons de plus près la batterie d un appareil photo numérique 8 / 18

26 Atome de lithium et ion lithium? De quoi est constitué un atome? Noyau : protons (Z) et neutrons (A-Z) Nuage électronique : électrons (autant que de protons dans un atome)? Qu est ce qu un ion et comment est ce qu on le forme? C est une espèce chimique qui possède une charge électrique Un atome ayant perdu ou gagné un électron se transforme en ion Atome Li Ion Li+ -e +3e -e -e +3e -e 9 / 18 -e

27 Atome de lithium et ion lithium? De quoi est constitué un atome? Noyau : protons (Z) et neutrons (A-Z) Nuage électronique : électrons (autant que de protons dans un atome)? Qu est ce qu un ion et comment est ce qu on le forme? C est une espèce chimique qui possède une charge électrique Un atome ayant perdu ou gagné un électron se transforme en ion Atome Li Ion Li+ -e +3e -e -e +3e -e 9 / 18 -e

28 Atome de lithium et ion lithium? De quoi est constitué un atome? Noyau : protons (Z) et neutrons (A-Z) Nuage électronique : électrons (autant que de protons dans un atome)? Qu est ce qu un ion et comment est ce qu on le forme? C est une espèce chimique qui possède une charge électrique Un atome ayant perdu ou gagné un électron se transforme en ion Atome Li Ion Li+ -e +3e -e -e +3e -e 9 / 18 -e

29 Atome de lithium et ion lithium? De quoi est constitué un atome? Noyau : protons (Z) et neutrons (A-Z) Nuage électronique : électrons (autant que de protons dans un atome)? Qu est ce qu un ion et comment est ce qu on le forme? C est une espèce chimique qui possède une charge électrique Un atome ayant perdu ou gagné un électron se transforme en ion Atome Li Ion Li+ -e +3e -e -e +3e -e 9 / 18 -e

30 Atome de lithium et ion lithium? De quoi est constitué un atome? Noyau : protons (Z) et neutrons (A-Z) Nuage électronique : électrons (autant que de protons dans un atome)? Qu est ce qu un ion et comment est ce qu on le forme? C est une espèce chimique qui possède une charge électrique Un atome ayant perdu ou gagné un électron se transforme en ion Atome Li Ion Li+ -e +3e -e -e +3e -e 9 / 18 -e

31 Atome de lithium et ion lithium? De quoi est constitué un atome? Noyau : protons (Z) et neutrons (A-Z) Nuage électronique : électrons (autant que de protons dans un atome)? Qu est ce qu un ion et comment est ce qu on le forme? C est une espèce chimique qui possède une charge électrique Un atome ayant perdu ou gagné un électron se transforme en ion Atome Li Ion Li+ -e +3e -e -e +3e -e 9 / 18 -e

32 Principe général de fonctionnement Principe : Le fonctionnement des batteries au lithium est basé sur l échange entre les électrodes d ions lithium accompagné d un mouvement des électrons. L ion lithium est un ion dur : Il est très petit et sa charge est localisée ce qui en fait un candidat de choix pour les batteries fonctionnant par échange d ions.? Batterie Lithium ou batterie Lithium ion? Dans une batterie lithium métal, une des électrodes est composée de lithium métallique. Dans une batterie lithium ion, le lithium reste à l état ionique 10 / 18

33 Principe général de fonctionnement Principe : Le fonctionnement des batteries au lithium est basé sur l échange entre les électrodes d ions lithium accompagné d un mouvement des électrons. L ion lithium est un ion dur : Il est très petit et sa charge est localisée ce qui en fait un candidat de choix pour les batteries fonctionnant par échange d ions.? Batterie Lithium ou batterie Lithium ion? Dans une batterie lithium métal, une des électrodes est composée de lithium métallique. Dans une batterie lithium ion, le lithium reste à l état ionique 10 / 18

34 Deux types de matériaux d électrodes Les matériaux d électrodes sont de deux types : matériau d intercalation ion lithium Dans ces matériaux, les ions lithium s insèrent progressivement dans le solide et se placent dans les espaces vides (sites cristallographiques vacants) du solide. matériau de conversion ion lithium nouvelles phases Dans ces matériaux, l insertion des ions lithium s accompagne d une modification de la structure du matériaux et forme une nouvelle phase solide. 11 / 18

35 Deux types de matériaux d électrodes Les matériaux d électrodes sont de deux types : matériau d intercalation ion lithium Dans ces matériaux, les ions lithium s insèrent progressivement dans le solide et se placent dans les espaces vides (sites cristallographiques vacants) du solide. matériau de conversion ion lithium nouvelles phases Dans ces matériaux, l insertion des ions lithium s accompagne d une modification de la structure du matériaux et forme une nouvelle phase solide. 11 / 18

36 Fonctionnement d une batterie Litihium Ion ion lithium Batterie déchargée Électrode + Électrode - Électrolyte 12 / 18

37 Fonctionnement d une batterie Litihium Ion ion lithium Batterie en charge Électrode + Électrode - Électrolyte Électron Électron Électron Électron 13 / 18

38 Fonctionnement d une batterie Litihium Ion ion lithium Batterie chargée Électrode + Électrode - Électrolyte 14 / 18

39 Fonctionnement d une batterie Litihium Ion ion lithium Batterie en activité Électrode + Électrode - Électrolyte Électron Électron Électron Électron 15 / 18

40 Apport de la recherche Comprendre les phénomènes d usures des batteries Formation d une couche bloquant l intercalation des lithium. Dégradation des matériaux d électrodes. Dégradation de l électrolyte. Risque de court-circuit lors de la charge. Électrode + Électrode - Électrolyte Électron Électron Électron Électron 16 / 18

41 Apport de la recherche Comprendre les phénomènes d usures des batteries Formation d une couche bloquant l intercalation des lithium. Dégradation des matériaux d électrodes. Dégradation de l électrolyte. Risque de court-circuit lors de la charge. Électrode + Électrode - Électrolyte Électron Électron Électron Électron 16 / 18

42 Méthodes employées Simulation numérique de chimie quantique Etude de la structure électronique Etude des propriétés des matériaux d électrodes Effet de la présence du lithium sur le matériau Etude de la réactivité des surfaces Effet du courant électrique sur la réactivité 17 / 18 Comprendre les raisons de la dégradation de l électrolyte Perte de capacité des batteries

43 Enjeux pour le futur Batterie de grosse capacité Optimiser les matériaux employés dans la conception des batteries Choisir l électrolyte le plus adapté Voiture électrique Conception de micro-batteries Batterie de très faible epaisseur Remplacement des piles boutons Piles employées en médecine Piles sur une carte à puce 18 / 18

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