Batteries

La batterie ou accumulateur stocke l’énergie électrique par voie électrochimique comme les piles (cf. Pile électrique) mais ici de manière réversible, c’est-à-dire que l’on n’est pas obligé de les jeter (maintenant de les recycler), mais on peut les recharger. On utilise alors les propriétés d’équilibres d’oxydo-réduction de deux matériaux : un réducteur (Red) et un oxydant (Ox) :

– à l’électrode négative :
Red ———> Redⁿ⁺ + n e^–
– à l’électrode positive :
Ox + n e^– ———> Ox^n–

La quantité d’électricité échangée est proportionnelle à la quantité des matériaux actifs. Le facteur important est le potentiel électrochimique exprimé en Wh qui est le produit de la différence de potentiel V multiplié par la capacité de l’accumulateur Ah en ampère heure. Le potentiel E = V x I est lié à l’énergie de la réaction d’oxydo réduction :
Red + Ox ———> RedOx + Energie (ΔG)
ou encore E = -(ΔG) /{nF ({n nombre d’électrons échangés et F le nombre de Faraday).

Né en 1834 à Orthez, Gaston Planté passe son enfance à Paris, rue de la Ceriseraie. Préparateur de physique en 1854 au CNAM, puis en 1860 professeur de physique à l’Association polytechnique pour le développement de l’instruction populaire ({sic), il produit le premier élément de pile secondaire, ou accumulateur, composé de deux feuilles de plomb placées dans un récipient en verre contenant de l’acide sulfurique. Les réactions électrochimiques sont alors :

– à la borne négative :
Pbs + SO₄^2- ———> PbSO₄s + 2 e^–
– à la borne positive :
PbO₂s + 4 H⁺ + SO₄^2- + 2 e^– ———> PbSO₄s + 2 H₂O

Ce premier élément de la batterie au plomb devait être perfectionné par Gaston Planté en regroupant plusieurs éléments capables d’être chargés en courant et donnant des tensions et intensités remarquables qui stupéfièrent l’Académie des sciences sans que l’inventeur puisse y accéder comme membre. La ville d’Orthez, 150 ans plus tard, devait réparer cet oubli en élevant devant sa maison natale une statue originale qui s’éclaire avec des capteurs (l’histoire ne dit pas si elle est branchée sur des batteries !).

Camille Faure, en 1881, perfectionne la batterie au plomb en un modèle plus fiable et en 1899 la première voiture électrique « La Jamais Contente », grâce à cette invention, dépassait les 100 km/h. Dès lors, l’industrie des batteries rechargeables démarrait et elle perdure encore 150 ans plus tard puisqu’elles équipent encore nos automobiles.

Les recherches pour améliorer les batteries et surtout leur puissance spécifique en W/Kg et l’énergie spécifique en Wh/Kg passent :
– par la recherche de matériaux fortement oxydants ou fortement réducteurs pour créer une force électromotrice (Fem) élevée,
– par la technologie de fabrication avec de faibles épaisseurs d’électrodes et des séparateurs très minces,
– des collecteurs de courant et des coques aussi légères que possible mais fiables.

En 150 ans, on n’a gagné qu’un facteur 4 sur l’énergie spécifique, car la capacité des accumulateurs reste limitée par l’extrême complexité d’un système où interviennent des électrodes solides, la nature des électrolytes (liquide, gels, polymères) et la maîtrise des interfaces macro- et microscopiques.

Après 1945 et jusqu’aux années 2010, d’autres types de batteries sont venues concurrencer la batterie au plomb (cf. Plomb).

Les batteries cadmium-nickel et dérivées.
Elles utilisent la propriété structurale en feuillets de l’hydroxyde de nickel, Ni(OH)₂ et NiOOH, qui accueillent des cations en structure d’hôte
– Ni-Cd
Cd(OH)₂ + 2 e^– ———> Cd + 2 OH^– V = 1,3 V
– Ni-Zn
Zn(OH)₂ + 2 e^– ———> Zn + 2 OH^– V = 1,73 V
– Ni-MH
NiM + n H₂O + n e^– ———> NiMHn + n OH^– V = 1,32
Pour cette dernière, dite nickel-hydrure, il s’agit de formation réversible d’hydrures de terre rare MHn (cf. Lanthanides). Ces batteries sont assez bien utilisées pour les véhicules hybrides et les vélos électriques .

Les batteries au lithium.
Depuis une bonne dizaine d’années se sont développées les batteries utilisant le lithium, métal alcalin léger et le plus réducteur. Mais comme il réagit avec l’eau (cf. Lithium) il a fallu trouver des électrolytes non aqueux comme des carbonates d’alkyle qui solubilisent des sels de lithium. On insère le lithium dans du graphite ou on l’utilise à l’état métallique.
À l’électrode positive on trouve un oxyde lithié comme LiCoO₂, LiMnO₂, Li_xMn_yO₂ et LiFePO4. Pour améliorer la conduction de ces oxydes à l’électrode positive, ils sont revêtus de nanocouches de carbone. L’électrolyte peut être gélifié, mais on peut aussi utiliser un polymère qui devient conducteur vers 80 °C, c’est le principe des batteries lithium ion polymère.

Les batteries au plomb continueront à être produites de par le monde pour les véhicules automobile classiques (thermiques), on prévoit en effet qu’il roule environ 900 millions de voitures équipées de batterie au plomb et que la pression des BRIC (Brésil-Russie-Inde-Chine) dans l’accès à l’automobile, va doper un marché qui, en 2011, est de 7 G€ et qui passera d’après les experts à 12 G€ en 2016. Dans les pays occidentaux développés, l’émergence des véhicules hybrides et véhicules électriques (VE) pousse à rechercher des batteries dont la capacité permet d’augmenter l’autonomie en kilométrage.
Le tableau suivant résume l’état de lieux :

C’est donc vers les systèmes à base de lithium que les fabricants d’accumulateurs pour VE s’orientent. Ils ont été déjà partiellement éprouvées par les fabricants japonais pour les appareils électroniques nomades et nous allons assister à une grande lutte commerciale avec différentes options :
lithium ion avec électrodes CoNiLiO₂-Graphite, Lithium Polymère-Graphite, PO₄FeLi-Polymère, avec de nouvelles avancées grâce aux nanotechnologies qui ont montré que l’on pouvait utiliser nombre d’oxydes pour intercalation ou réaction avec le lithium à condition de les mettre en œuvre sous forme de nanoparticules éventuellement couvertes de nanocouches de carbone.

Par comparaison avec une voiture classique à carburant et une consommation de l’ordre de 15 kWh/100 km, une voiture électrique disposant d’une batterie Li industrielle ayant une densité d’énergie de 120 Wh/kg, il faut, pour avoir 200 à 250 km d’autonomie, embarquer 250 kg de batterie. Pour accroitre l’autonomie à une valeur comparable aux voitures diesel, de l’ordre de 800 km en gardant le même poids, il faudrait monter la densité d’énergie à une valeur de 480-500 Wh/kg. C’est le pari que va tenter BASF associé depuis mai 2009 à Sion-Power avec la technologie Li-S et de nouvelles configurations en nanocanaux et nanofibres de carbone.

Avec en France, à Amiens, Bordeaux, Grenoble, Nantes des équipes de recherche d’électrochimistes remarquables et novatrices qui, dès 1990 sur le lithium avaient le sentiment de prêcher dans le désert et des industriels français qui se réveillent maintenant, ce début du XXIe siècle va s’avérer passionnant.

Pensée du jour
« À 500 Wh/kg pour les chercheurs de la Batterie, le jour de gloire est arrivé. »

Sources
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_électrique
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Batterie_au_plomb
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_lithium
– http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity)
– G. Tissandier, G. Planté (www.gloubik.info/sciences/spip.php?article876)
– F. Lapicque et al., {L’Actualité Chimique, 338-339, 81-91.
– G. Ouvrard, {L’Actualité Chimique, 356-357, 52-56.
– M. Broussely, {L’Actualité Chimique, 356-357, 135-136.
– J.-C. Bernier, {L’Actualité Chimique, 337, 4-5.

Pour en savoir plus
– Pile électrique
– Plomb
– Lithium
– Lanthanides