Les piles au lithium-ion sont une technologie clé pour la transition vers l'énergie propre

Les piles au lithium stockent efficacement l'énergie, ce qui en fait un excellent choix pour les véhicules électriques ou de loisirs. Les piles au lithium conservent également un niveau de charge extrêmement élevé au fil du temps.

Comme les ions lithium circulent de l'anode à la cathode par l'intermédiaire de l'électrolyte, les matériaux d'anode les plus courants sont le carbone et le silicium ; les cathodes sont constituées d'oxydes métalliques tels que le spinelle, le nickel, le cobalt et le manganèse ou le phosphate de fer et de lithium comme cathodes.

1. Stockage de l'énergie

Les batteries lithium-ion ont eu l'un des impacts les plus importants de l'histoire récente ; elles ont ouvert la voie à la révolution de l'e-mobilité et servent maintenant de catalyseurs clés pour les transitions énergétiques propres. Elles alimentent une gamme croissante d'appareils électroniques portables grand public (ordinateurs portables et téléphones mobiles), de voitures électriques/hybrides rechargeables/systèmes de stockage d'énergie domestique, etc.

Les batteries sont constituées de cinq éléments principaux : une anode, une cathode, un séparateur entre les électrodes, une solution électrolytique qui transporte les ions lithium par électrolyse, et des collecteurs de courant en cuivre et en aluminium pour la connexion aux fils. Lors de la charge, une source d'énergie externe applique une surtension qui force les électrons des électrodes positives vers les électrodes négatives et entraîne les ions lithium entre l'anode et la cathode par électrolyse ; lors de la décharge, le processus est inverse : les ions lithium quittent une électrode et s'intercalent entre les électrodes tandis que les électrons libres s'écoulent par les fils, fournissant le courant qui alimente nos appareils.

Une anode peut être constituée de différents matériaux, mais le graphite et l'oxyde de cobalt et de lithium sont deux des matériaux d'anode les plus populaires. Les cathodes sont généralement constituées de métaux tels que le nickel-cobalt-aluminium ou le phosphate de fer-lithium ; leur composition chimique détermine en fin de compte les performances de la batterie : par exemple, le nickel-cobalt-aluminium offre une durée de vie plus longue, tandis que le phosphate de fer-lithium peut être plus rentable.

À l'heure actuelle, la majeure partie des coûts de production du LiB est consacrée à la fabrication des électrodes et à la finition des cellules, deux processus qui sont parmi les plus gourmands en temps et en énergie ; ils utilisent au total environ 40% de capacité de batterie. Toutefois, avec la baisse des coûts des matières premières et l'augmentation de la capacité de production, les prix du LiB devraient continuer à baisser au fil du temps.

2. La sécurité

En raison de leur électrolyte liquide inflammable, les batteries au lithium mal conçues et mal fabriquées présentent un risque pour la sécurité lorsqu'elles sont endommagées ou mal chargées, ce qui peut provoquer des incendies ou des explosions. De nombreux efforts ont été déployés pour améliorer leur conception et leur fabrication afin de réduire ce risque ; la technologie lithium-ion est également utilisée pour créer des batteries solides sans électrolyte.

Les batteries lithium-ion se distinguent des autres types de batteries rechargeables par leur densité énergétique extrêmement élevée, ce qui signifie que des cellules plus petites peuvent fournir la même quantité d'énergie que des batteries plus grandes. Elles sont idéales pour les appareils portables tels que les téléphones et les appareils photo numériques, les véhicules électriques, les véhicules de loisirs et autres qui ont besoin d'une énergie efficace tout en restant légers.

Ce type de batterie a pour principal avantage de ne pas souffrir de l'effet de mémoire ; vous pouvez donc utiliser sa pleine capacité sans craindre qu'elle perde de son efficacité au fil du temps. Notez toutefois que sa chimie ne tolère pas très bien la chaleur et qu'un stockage à des températures élevées pourrait l'endommager de manière irrémédiable.

Il est donc essentiel de lire attentivement le manuel d'utilisation de votre batterie pour savoir comment l'entretenir au mieux et prolonger sa durée de vie. En général, le fait de le garder au frais et de ne pas le surcharger permet de maximiser la durée de vie de la batterie et de garantir des performances optimales.

3. Poids léger

Les batteries nickel-cadmium et, plus tard, les batteries nickel-hydrure métallique ont été le choix standard pour les appareils électroniques portables, des téléphones cellulaires aux ordinateurs portables, pendant plus de 100 ans, jusqu'à ce que le lithium-ion apparaisse comme une technologie alternative au début des années 1990. Les cellules lithium-ion sont plus légères et plus puissantes que leurs prédécesseurs, tout en offrant une densité énergétique double et en étant capables de charger/décharger à 3,6 V, ce qui permet de concevoir des blocs-batteries ne comportant qu'une seule cellule.

On trouve des piles au lithium dans les ordinateurs portables, les véhicules électriques et les outils électriques sans fil. Les piles au lithium constituent d'excellentes solutions de stockage de l'énergie solaire car elles se chargent et se déchargent rapidement. Elles constituent également d'excellentes solutions d'alimentation de secours telles que les systèmes UPS ou les alimentations électriques d'urgence.

La température et les modes d'utilisation ont un impact important sur la durée de vie des batteries lithium-ion, notamment la dégradation causée par l'exposition à la chaleur et les surcharges fréquentes. La chaleur accélère la dégradation, tandis que les surcharges fréquentes l'accélèrent davantage ; les batteries lithium-ion ne doivent jamais être exposées à des températures extrêmes pendant de longues périodes.

Il existe différents types de batteries lithium-ion, chacun présentant ses propres avantages et inconvénients. Votre application, votre budget et votre tolérance en matière de sécurité vous aideront à déterminer le type de batterie au lithium qui répond le mieux à vos besoins. Les quatre types de batteries les plus courants sont les batteries LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 et les batteries lithium-polymère. Chacune offre sa propre chimie distincte tout en partageant des principes fondamentaux tels que l'utilisation d'ions lithium pour stocker l'énergie électrique, protégés par une couche isolante pour protéger les électrodes les unes des autres et protégés par un matériau d'anode comme LiCoO2 ; LiNMC utilise des cathodes combinées de manganèse et de nickel qui offrent à la fois une énergie spécifique élevée et une excellente stabilité - chacune offrant des performances énergétiques spécifiques élevées à des coûts abordables !

4. Respect de l'environnement

Les batteries lithium-ion sont une technologie indispensable à la transition de nos secteurs des transports et de l'électricité des combustibles fossiles vers les sources d'énergie renouvelables. Grâce à leur longue durée de vie, à leur densité énergétique élevée et à leur capacité de charge rapide, les batteries lithium-ion sont idéales pour alimenter les véhicules électriques, les outils électriques ou les ordinateurs portables, tout en sensibilisant les consommateurs à l'utilisation de l'énergie.

Les batteries lithium-ion présentent de nombreux avantages pour l'environnement, mais leur production et leur mise au rebut ont encore des incidences sur l'environnement. Les batteries lithium-ion contiennent un électrolyte liquide inflammable qui, s'il est éliminé de manière inappropriée, peut libérer des substances toxiques dans l'environnement qui menacent la qualité du sol et de l'eau ; en cas d'élimination inappropriée, elles peuvent également déclencher des incendies dans les décharges et les installations de recyclage des batteries.

La production de batteries lithium-ion laisse une empreinte carbone énorme en raison de l'extraction des matières premières de la terre, comme l'extraction des roches dures, qui libère 15 tonnes de CO2 pour chaque tonne extraite. En outre, l'extraction de ces minéraux nécessite de grandes quantités d'énergie qui proviennent principalement de la combustion de combustibles fossiles à des fins d'extraction.

L'extraction de composants de batteries tels que le lithium, le nickel, le cobalt, le graphite et les feuilles d'aluminium produit également des émissions de gaz à effet de serre qui contribuent au changement climatique, tandis que leur transport et leur livraison ajoutent d'autres émissions de carbone à l'empreinte carbone de notre planète.

Lorsque les batteries lithium-ion atteignent leur fin de vie, elles deviennent des déchets électroniques. Malheureusement, nombre d'entre elles ne sont pas recyclées correctement et finissent souvent dans les flux de déchets commerciaux et les décharges, où elles peuvent être court-circuitées par inadvertance ou démantelées de manière dangereuse pour en extraire de petites pièces précieuses à des fins de récolte. Cela provoque souvent des incendies qui contribuent au changement climatique.

5. Recyclable

Les piles au lithium contiennent également d'autres métaux tels que le nickel, le cobalt et le cuivre, ainsi que des produits chimiques organiques et des plastiques qui, lorsqu'ils sont mis au rebut, peuvent entraîner des fuites toxiques dans les cours d'eau et provoquer des incendies lorsqu'ils sont jetés dans des centres de traitement des déchets ; l'association britannique des services environnementaux a signalé 250 incendies de piles entre 2019 et 2020 dans les seuls centres de traitement des déchets ! En outre, les piles au lithium présentent des risques pour la sécurité lorsqu'elles sont écrasées ou percées - ces actions peuvent court-circuiter leurs cathodes, entraînant une combustion interne - selon la Conférence européenne des recycleurs d'acier, 90% de ces incendies ont été causés par de petites piles au lithium !

Les statistiques actuelles révèlent qu'environ 5 % seulement des piles dans le monde sont recyclées ; beaucoup sont simplement jetées ou envoyées directement dans les décharges. L'une des raisons peut être leur composition complexe, comme les batteries lithium-ion qui contiennent généralement 22% de cobalt, 5-10% de nickel et 5-7% de lithium ; en outre, elles peuvent contenir 15% de produits chimiques organiques et 7% de matières plastiques.

Bien que le recyclage des piles au lithium soit techniquement possible, le processus est coûteux et prend du temps, sans parler de son inefficacité. Un spécialiste du stockage de l'énergie explique que pour être vraiment efficace, il faut des matières premières d'une grande pureté que nous ne possédons pas à l'heure actuelle.

Le PNNL a mis au point un processus révolutionnaire qui consiste à déchiqueter et à réduire en poudre les piles en fin de vie, ce qui constitue une étape importante pour rendre le recyclage des piles au lithium moins onéreux. L'utilisation de techniques hydrométallurgiques et pyrométallurgiques pour récupérer les métaux dans les vieilles piles afin de les utiliser comme matière première pour la fabrication de nouvelles piles pourrait éventuellement réduire la demande de minéraux ou de métaux des terres rares dont l'approvisionnement pourrait être limité à l'avenir.

Au fond, la circularité des matériaux consiste à créer un cycle sans fin dans lequel les batteries commencent leur voyage en étant d'abord utilisées dans un véhicule électrique avant d'être recyclées et réintégrées dans les processus de fabrication.