Batterie lithium-ion : comment fonctionne-t-elle ?
Ions lithium, cathode, anode, électrolyte : comment fonctionne la batterie de votre téléphone ou de votre voiture, et pourquoi elle s'use avec le temps.
Sommaire
- Quels sont les éléments d'une batterie lithium-ion ?
- Que se passe-t-il pendant la charge ?
- Et pendant la décharge ?
- Pourquoi le lithium ?
- Pourquoi une batterie s'use-t-elle avec le temps ?
- Les batteries lithium-ion sont-elles dangereuses ?
- Quelles batteries pour demain ?
- Que contient une batterie de voiture électrique ?
- Peut-on recycler les batteries lithium-ion ?
Votre téléphone, votre ordinateur portable et les voitures électriques ont un point commun : une batterie lithium-ion. Elle stocke beaucoup d'énergie dans peu de place, et se recharge des centaines de fois.
Son principe est pourtant simple, presque élégant. Tout repose sur de minuscules ions de lithium qui font l'aller-retour entre deux électrodes.
Quels sont les éléments d'une batterie lithium-ion ?
Chaque cellule de batterie contient quatre éléments principaux. On les retrouve dans toutes les batteries lithium-ion, de la plus petite à la plus grande.
| Élément | Composition courante | Rôle |
|---|---|---|
| Cathode (électrode positive) | Oxyde métallique contenant du lithium | Réservoir de lithium en fin de décharge |
| Anode (électrode négative) | Le plus souvent du graphite | Stocke le lithium pendant la charge |
| Électrolyte | Sel de lithium dissous dans un solvant | Laisse passer les ions |
| Séparateur | Fine membrane poreuse | Empêche le contact direct entre les électrodes |
Que se passe-t-il pendant la charge ?
Quand vous branchez votre téléphone, le chargeur force les ions lithium à quitter la cathode. Ils traversent l'électrolyte et le séparateur, puis viennent se loger entre les couches de graphite de l'anode.
Dans le même temps, des électrons font le même trajet, mais par le circuit extérieur. L'énergie électrique est ainsi stockée sous forme chimique.
Et pendant la décharge ?
Quand vous utilisez l'appareil, le mouvement s'inverse naturellement. Les ions lithium quittent le graphite et retournent vers la cathode, à travers l'électrolyte.
Les électrons, eux, ne peuvent pas traverser le séparateur. Ils passent donc par le circuit de l'appareil, et c'est ce courant qui alimente l'écran, le processeur ou le moteur.
Pourquoi le lithium ?
Le lithium est le plus léger des métaux. Il cède facilement un électron, ce qui permet d'obtenir une tension élevée, autour de 3,6 volts par cellule, contre 1,5 volt pour une pile alcaline.
Résultat : une grande quantité d'énergie pour un faible poids. C'est ce qui a rendu possibles les appareils nomades puis les voitures électriques.
Le prix Nobel de chimie 2019 a récompensé trois pionniers de cette technologie : John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino. Sony a commercialisé la première batterie lithium-ion en 1991.
Pourquoi une batterie s'use-t-elle avec le temps ?
À chaque cycle, de petites réactions parasites consomment un peu de lithium et dégradent les électrodes. Une couche se forme à la surface de l'anode et s'épaissit peu à peu.
La capacité baisse alors lentement. Trois facteurs accélèrent ce vieillissement : la chaleur, les charges à 100 % maintenues longtemps et les décharges complètes répétées.
- Évitez de laisser l'appareil au soleil ou dans une voiture chaude.
- Utilisez si possible l'option de charge optimisée, qui limite la charge à 80 % la nuit.
- Ne laissez pas la batterie descendre souvent à 0 %.
Les batteries lithium-ion sont-elles dangereuses ?
Rarement, mais elles peuvent l'être si elles sont abîmées. Un choc, une perforation ou un défaut de fabrication peut provoquer un court-circuit interne et un emballement thermique, avec un risque d'incendie.
Une batterie gonflée doit être retirée du service et déposée dans un point de collecte. Elle ne doit jamais être jetée avec les ordures ménagères.
Quelles batteries pour demain ?
Plusieurs pistes sont étudiées. Les batteries lithium-fer-phosphate, déjà très utilisées, se passent de cobalt et durent plus longtemps. Les batteries sodium-ion remplacent le lithium par un élément beaucoup plus abondant.
Les batteries « tout solide » remplacent l'électrolyte liquide par un solide, pour gagner en sécurité et en capacité. Elles restent pour l'instant à un stade de développement ou de petite série.
Que contient une batterie de voiture électrique ?
Une batterie de voiture électrique n'est pas une grosse cellule unique. Elle assemble des centaines, voire des milliers de cellules, regroupées en modules puis en un pack.
Un système électronique, le BMS pour système de gestion de la batterie, surveille en permanence la tension et la température de chaque groupe de cellules. Il équilibre la charge et coupe le courant en cas d'anomalie.
Un circuit de refroidissement, souvent liquide, maintient le pack dans une plage de température favorable. C'est l'une des raisons pour lesquelles ces batteries vieillissent souvent moins vite qu'on ne le craignait.
Peut-on recycler les batteries lithium-ion ?
Oui, et c'est un enjeu croissant. Les batteries contiennent des métaux précieux, comme le lithium, le nickel, le cobalt et le cuivre, dont l'extraction minière pèse sur l'environnement.
Le recyclage combine des étapes mécaniques, de broyage et de tri, et des procédés chimiques ou thermiques pour récupérer les métaux. L'Union européenne a fixé des objectifs de collecte et de récupération des matériaux pour les années à venir.
Avant le recyclage, une batterie de voiture usée peut parfois connaître une seconde vie, par exemple pour stocker l'électricité d'une installation solaire.
À retenir. Une batterie lithium-ion fonctionne par le va-et-vient des ions lithium entre deux électrodes, pendant que les électrons passent par le circuit. La chaleur et les charges extrêmes sont ses pires ennemies.
