Une batterie lithium-ion ou batterie Li-ion (en abrégé LIB) est un type de batterie rechargeable.Les batteries lithium-ion sont couramment utilisées pour les appareils électroniques portables et les véhicules électriques et gagnent en popularité pour les applications militaires et aérospatiales.Un prototype de batterie Li-ion a été développé par Akira Yoshino en 1985, sur la base de recherches antérieures de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami et Koichi Mizushima dans les années 1970-1980, puis une batterie Li-ion commerciale a été développée par un Équipe Sony et Asahi Kasei dirigée par Yoshio Nishi en 1991. En 2019, le prix Nobel de chimie a été décerné à Yoshino, Goodenough et Whittingham « pour le développement de batteries lithium-ion ».

Dans les batteries, les ions lithium se déplacent de l'électrode négative à travers un électrolyte vers l'électrode positive pendant la décharge, et reviennent lors de la charge.Les batteries Li-ion utilisent un composé de lithium intercalé comme matériau à l'électrode positive et généralement du graphite à l'électrode négative.Les batteries ont une densité d'énergie élevée, pas d'effet mémoire (autre que les cellules LFP) et une faible autodécharge.Ils peuvent cependant constituer un danger pour la sécurité car ils contiennent des électrolytes inflammables et, s'ils sont endommagés ou mal chargés, ils peuvent provoquer des explosions et des incendies.Samsung a été contraint de rappeler les combinés Galaxy Note 7 à la suite d'incendies au lithium-ion, et il y a eu plusieurs incidents impliquant des batteries sur des Boeing 787.

Les caractéristiques chimiques, de performance, de coût et de sécurité varient selon les types de LIB.Les appareils électroniques portables utilisent principalement des batteries au lithium polymère (avec un gel polymère comme électrolyte) avec de l'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2) comme matériau de cathode, qui offre une densité d'énergie élevée, mais présente des risques pour la sécurité, en particulier lorsqu'ils sont endommagés.Le phosphate de fer au lithium (LiFePO4), l'oxyde de lithium manganèse (LiMn2O4, Li2MnO3 ou LMO) et l'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (LiNiMnCoO2 ou NMC) offrent une densité d'énergie plus faible mais des durées de vie plus longues et moins de risque d'incendie ou d'explosion.Ces batteries sont largement utilisées pour les outils électriques, les équipements médicaux et d'autres rôles.Le NMC et ses dérivés sont largement utilisés dans les véhicules électriques.

Les domaines de recherche pour les batteries lithium-ion comprennent l'allongement de la durée de vie, l'augmentation de la densité d'énergie, l'amélioration de la sécurité, la réduction des coûts et l'augmentation de la vitesse de charge, entre autres.Des recherches sont en cours dans le domaine des électrolytes ininflammables en tant que voie vers une sécurité accrue basée sur l'inflammabilité et la volatilité des solvants organiques utilisés dans l'électrolyte typique.Les stratégies comprennent les batteries lithium-ion aqueuses, les électrolytes solides en céramique, les électrolytes polymères, les liquides ioniques et les systèmes fortement fluorés.

Batterie contre cellule

Une cellule est une unité électrochimique de base qui contient les électrodes, le séparateur et l'électrolyte.

Une batterie ou un bloc-batterie est un ensemble de cellules ou d'assemblages de cellules, avec un boîtier, des connexions électriques et éventuellement des composants électroniques pour le contrôle et la protection.

Électrodes anodiques et cathodiques
Pour les piles rechargeables, le terme anode (ou électrode négative) désigne l'électrode où se produit l'oxydation lors du cycle de décharge ;l'autre électrode est la cathode (ou électrode positive).Pendant le cycle de charge, l'électrode positive devient l'anode et l'électrode négative devient la cathode.Pour la plupart des cellules lithium-ion, l'électrode d'oxyde de lithium est l'électrode positive ;pour les cellules lithium-ion au titanate (LTO), l'électrode à oxyde de lithium est l'électrode négative.

Histoire

Contexte

Batterie lithium-ion Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Allemagne
Les batteries au lithium ont été proposées par le chimiste britannique et co-récipiendaire du prix Nobel de chimie 2019 M. Stanley Whittingham, maintenant à l'Université de Binghamton, alors qu'il travaillait pour Exxon dans les années 1970.Whittingham a utilisé du sulfure de titane (IV) et du lithium métal comme électrodes.Cependant, cette batterie au lithium rechargeable ne pourrait jamais être rendue pratique.Le disulfure de titane était un mauvais choix, car il doit être synthétisé dans des conditions complètement scellées, étant également assez coûteux (~ 1 000 $ par kilogramme pour la matière première de disulfure de titane dans les années 1970).Lorsqu'il est exposé à l'air, le disulfure de titane réagit pour former des composés de sulfure d'hydrogène, qui ont une odeur désagréable et sont toxiques pour la plupart des animaux.Pour cela, et pour d'autres raisons, Exxon a interrompu le développement de la batterie au disulfure de lithium-titane de Whittingham.Les batteries avec des électrodes au lithium métallique présentaient des problèmes de sécurité, car le lithium métallique réagissait avec l'eau, libérant de l'hydrogène gazeux inflammable.Par conséquent, la recherche s'est déplacée pour développer des batteries dans lesquelles, au lieu de lithium métallique, seuls des composés de lithium sont présents, capables d'accepter et de libérer des ions lithium.

L'intercalation réversible dans le graphite et l'intercalation dans les oxydes cathodiques ont été découvertes entre 1974 et 1976 par JO Besenhard à la TU Munich.Besenhard a proposé son application dans les piles au lithium.La décomposition de l'électrolyte et la co-intercalation du solvant dans le graphite ont été de graves inconvénients précoces pour la durée de vie de la batterie.

Développement

1973 - Adam Heller a proposé la batterie au lithium chlorure de thionyle, toujours utilisée dans les dispositifs médicaux implantés et dans les systèmes de défense où une durée de conservation supérieure à 20 ans, une densité d'énergie élevée et / ou une tolérance aux températures de fonctionnement extrêmes sont requises.
1977 - Samar Basu a démontré l'intercalation électrochimique du lithium dans le graphite à l'Université de Pennsylvanie.Cela a conduit au développement d'une électrode en graphite intercalée au lithium fonctionnelle aux Bell Labs (LiC6) pour fournir une alternative à la batterie à électrodes au lithium métal.
1979 - Travaillant dans des groupes séparés, Ned A. Godshall et al., Et, peu de temps après, John B. Goodenough (Université d'Oxford) et Koichi Mizushima (Université de Tokyo), ont fait la démonstration d'une pile au lithium rechargeable avec une tension de l'ordre de 4 V utilisant du lithium le dioxyde de cobalt (LiCoO2) comme électrode positive et le lithium métal comme électrode négative.Cette innovation a fourni le matériau d'électrode positive qui a permis aux premières batteries au lithium commerciales.LiCoO2 est un matériau d'électrode positive stable qui agit comme un donneur d'ions lithium, ce qui signifie qu'il peut être utilisé avec un matériau d'électrode négative autre que le lithium métallique.En permettant l'utilisation de matériaux d'électrodes négatives stables et faciles à manipuler, LiCoO2 a permis de nouveaux systèmes de batteries rechargeables.Godshall et al.identifié en outre la valeur similaire des oxydes de métaux de transition lithium composés ternaires tels que le spinelle LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 et LiFe5O4 (et plus tard les matériaux de cathode lithium-oxyde de cuivre et lithium-nickel-oxyde en 1985)
1980 - Rachid Yazami démontre l'intercalation électrochimique réversible du lithium dans le graphite et invente l'électrode lithium-graphite (anode).Les électrolytes organiques disponibles à l'époque se décomposeraient lors de la charge avec une électrode négative en graphite.Yazami a utilisé un électrolyte solide pour démontrer que le lithium pouvait être intercalé de manière réversible dans le graphite par un mécanisme électrochimique.En 2011, l'électrode en graphite de Yazami était l'électrode la plus couramment utilisée dans les batteries lithium-ion commerciales.
L'électrode négative trouve son origine dans le PAS (matériau semi-conducteur polyacénique) découvert par Tokio Yamabe puis par Shjzukuni Yata au début des années 1980.Le germe de cette technologie a été la découverte des polymères conducteurs par le professeur Hideki Shirakawa et son groupe, et on pourrait également considérer qu'elle est partie de la batterie lithium-ion polyacétylène développée par Alan MacDiarmid et Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.ont obtenu le brevet américain 4 340 652 pour l'utilisation de LiCoO2 comme cathodes dans les batteries au lithium, basé sur le doctorat de l'Université de Stanford de Godshall.thèse et publications de 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David et John Goodenough ont développé un spinelle de manganèse en tant que matériau de cathode chargée commercialement pertinent pour les batteries lithium-ion.
1985 - Akira Yoshino assemble un prototype de cellule en utilisant un matériau carboné dans lequel des ions lithium peuvent être insérés comme une électrode et de l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) comme l'autre.Cela a considérablement amélioré la sécurité.LiCoO2 a permis une production à l'échelle industrielle et a permis la batterie lithium-ion commerciale.
1989 - Arumugam Manthiram et John B. Goodenough découvrent la classe polyanionique des cathodes.Ils ont montré que les électrodes positives contenant des polyanions, par exemple des sulfates, produisent des tensions plus élevées que les oxydes en raison de l'effet inductif du polyanion.Cette classe de polyanions contient des matériaux tels que le phosphate de fer au lithium.

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