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La clé du développement du véhicule électrique passe par l'évolution de la technologie de ses batteries. En effet, le frein à l'expansion des voitures électriques actuelles est l'autonomie bien inférieure en conditions réelles aux 200 km annoncés par les constructeurs. Plusieurs pistes existent pour y remédier. Le développement de la batterie lithium-air en est une.

Batterie : principe général

Description

La batterie permet de produire de l'électricité par une réaction chimique. Elle est composée par :

  • Les électrodes : ce sont des plaques constituées de matériaux spécifiques, plomb (Pb) et dioxyde de plomb (PbO²) pour une batterie traditionnelle, ou de lithium (Li) et peroxyde de lithium (Li²O²) pour la batterie lithium-air. Dans un élément de batterie, elles sont deux : l'anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive).
  • L'électrolyte : dans la batterie de voiture traditionnelle, elle est liquide, composée d'une solution d'acide sulfurique (H2SO4) diluée dans de l'eau.
  • Le bac de batterie : il renferme les éléments et l'électrolyte. Il est en matière plastique composite (polypropylène).
  • Les éléments de batterie : une batterie de 12 volts en comprend 6, chacun produisant 2 volts. Les électrodes de chaque élément sont reliées entre elles en parallèle pour former un groupe d'anodes et un groupe de cathodes.

Principe de charge et décharge

Lorsque la batterie se décharge, il se produit un transfert de particules chargées électriquement (les ions) de la cathode, qui subit une réduction, et l'anode, qui subit une oxydation, phénomène dû à la composition spécifique des plaques et de l'électrolyte.

Cette décharge est complète lorsque l'électrolyte ne peut plus fournir de charges électriques. Pendant cette phase de décharge, les consommateurs du véhicule sont alimentés.

La charge permet le phénomène chimique inverse et reconstitue électrodes et électrolyte à leur composition de départ.

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Batterie lithium-air : comment ça marche ?

Il existe différents types de batteries lithium, dont la batterie lithium-air. Leur particularité est l'utilisation de lithium, le métal le plus léger et dont les charges électriques se fixent sur tout matériau associé à un autre composant.

Fonctionnement de la batterie lithium-air

La batterie lithium-air ou « lithium-oxygène » fonctionne avec le métal lithium et l'oxygène de l'air (O²).

  • Son principal attrait est sa capacité énergétique* importante (x10) , qui pourrait augmenter l'autonomie actuelle des véhicules (de l'ordre de 600 km).
  • Elle cumule aussi l'avantage d'avoir un poids très réduit.

En voie de développement, elle se heurte à un obstacle technique majeur concernant la recharge : lors de la décharge, du peroxyde de lithium (Li2O2) se forme et s'accumule sur l'électrode en lithium, ce qui empêche la recharge. C'est pourquoi les batteries lithium-air sont souvent des batteries jetables, encore peu utilisées en automobile.

Comparatif

Vous trouverez ci-dessous un tableau comparatif détaillant les caractéristiques de la batterie lithium-air et les autres types de batteries lithium.

Types de batterie

Énergie massique en Wh/Kg

Avantages

Inconvénients

Applications

Lithium-ion (Li-ion)

200

  • Capacité de stockage importante.
  • Faible poids.
  • Risque d'explosion (nécessite une gestion de charge électronique).
  • Risque d'inflammation en cas de chocs.

Ordinateurs, téléphones, véhicules Tesla.

Lithium-métal polymère (LPM)

110

  • Électrolyte solide à base de polymère  sécurité optimale.
  • Nécessite une température de fonctionnement importante (80 °C).

Véhicules Bolloré.

Lithium-fer-phosphate (Li-Fe-PO4 ou LFP)

120

  • Fabrication peu coûteuse.
  • Nombre de cycles charge/décharge importants.
  • Recyclage facile.
  • Tension et énergie massique réduites.

Partenariat CEA*- Renault.

Lithium-polymère (Li-Po)

110

  • Moins d'encombrement (électrolyte à base de polymère).
  • Réduction de l'énergie massique.

Vélos, modèles réduits, ordinateurs, téléphones, véhicules : Hyundai, Ventury, etc.

Lithium-air (Li-O²)

2000

  • Énergie massique importante.
  • Électrolyte solide.
  • Composition des matériaux non-polluante.
  • Bonne tenue de la charge.
  • Poids divisé par 5.
  • Cycles de recharge trop limités.

Existe en version sans recharge (à remplacer une fois déchargée) dans les appareils miniaturisés (appareils auditifs, etc.). En cours de développement en automobile.

CEA* : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

Perspectives de la batterie lithium-air

Si la batterie lithium-air n'est aujourd'hui pas retenue pour les véhicules électriques, des batteries lithium-air rechargeables sont aujourd'hui à l'étude par des équipes de recherche : entre autres, le laboratoire américain « Argonne Battery Labs », des chercheurs universitaires de Cambridge et les départements R&D de Toyota et VW.

L'aboutissement de ces recherches pourrait se finaliser entre 3 et 10 ans, et révolutionner l'autonomie des véhicules électriques et leur développement.

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