Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l ... - CEA

nitrates, avec formation in situ, durant la synthèse,
d’un film carboné conducteur en surface des grains de
LiFePO 4 ).
Le matériau le plus abouti, LFPB, a fait l’objet d’un
transfert de technologie. Après un passage à l’échelle
pilote, la production industrielle est désormais envisagée
en vue de l’approvisionnement des fabricants de
batteries.
Aujourd’hui, en l’état des connaissances, pour un
accumulateur Li-ion de 1 mAh à 100 Ah, les chercheurs
associent le phosphate de fer lithié au graphite
(environ 140 à 160 Wh/kg), à l’oxyde de titane (15) , ainsi
qu’à des composites en silicium/carbone (170 à
180 Wh/kg), cela en fonction des applications et de
leurs cahiers des charges.
potentiel (volt versus Li + /Li)
4,5
4
3,5
3
capacité spécifique (mAh/g)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0,01
0,1 1 10 100
régime “C” (1/h)
3,45 V
vs. Li + /Li
Perspectives
La forte croissance de la demande industrielle en
matière de stockage d’énergie électrique concerne
aujourd’hui quasiment tous les secteurs d’application
(électronique nomade, voiture, habitat... ) dont les
besoins orientent les efforts de recherche. Concernant
plus précisément les matériaux dédiés à la technologie
Li-ion, la stabilisation des systèmes à haute tension,
ou la mise au point d’oxydes lamellaires présentant
des capacités réversibles supérieures à 200 mAh/g,
permettront d’atteindre bientôt les 250 Wh/kg
indispensables aux nouvelles applications de plus en
plus gourmandes en énergie. Associés à des composites
silicium/carbone stabilisés, ces matériaux annoncent
la conception d’accumulateurs approchant les
300 Wh/kg. De tels systèmes pourront alors s’intégrer
dans les systèmes nomades du futur fortement
consom mateurs d’énergie (téléphonie 3G, modélisme,
vidéo, spatial... ). Pour les applications dans le secteur
automobile, de nouvelles études concernant les différentes
familles de composés polyanioniques devraient
aboutir à la mise au point, à long terme, d’un composé
de plus haute densité d’énergie que le phosphate de fer
lithié : plus de 20 à 30 % sont attendus d’ici trois ans
avec une autonomie toujours plus importante à la
clef. Concernant l’électronique de puissance destinée
à la voiture hybride ou à différents types d’outillage
(des perceuses, par exemple), l’effort actuel se
(15) 60 à 80 Wh/kg, avec moins de 5 % de perte de capacité sur
1 000 cycles.
2,5
0
20
LiFe II PO 4 Fe III PO 4
capacité théorique en pourcentage
Figure 6.
Courbe pratique de charge/décharge d’un composite LiFePO 4 /carbone. En insert inférieur, sont
représentés les arrangements structuraux des phases LiFePO 4 (état initial/déchargé) et FePO 4
(état chargé). Les sphères roses représentent la position des atomes de lithium dans la structure.
En insert supérieur sont représentées : premièrement deux images prises par microscopie
électronique en transmission illustrant la morphologie et la taille des grains de LiFePO 4 ,
et deuxièmement, une courbe rapportant la capacité spécifique pratique, en décharge, en fonction
du régime (C indiquant que la charge s’effectue en une heure). Cette dernière courbe illustre
les bonnes performances en puissance du composé (plus de 60 % de la capacité nominale est
restituée à 30 C, soit pour une décharge effectuée en seulement 2 minutes).
concentre sur les composés à base de titane, associés à
un matériau de haute tension capable de compenser
la baisse engendrée par l’électrode négative. Dans
toutes ces hypothèses, l’électrolyte demeure la voie de
développement prioritaire pour la majeure partie des
solutions technologiques destinées aux systèmes à
haute tension.
Au-delà de ces objectifs à court et moyen termes, les
chercheurs visent déjà la mise au point de solutions
alternatives à la technologie Li-ion, a priori limitées à
300-350 Wh/kg. Dans cette optique, le Liten travaille
déjà sur des systèmes Li-air et Li-soufre pour lesquels
l’électrode négative est en lithium métal et l’électrode
positive étant respectivement de l’oxygène et du soufre.
Pour ces deux types de système, il s’agira, d’une part,
de maîtriser l’électrode de lithium, généralement peu
stable en cyclage prolongé et à régime de charge/
décharge élevé ; d’autre part, il faudra mettre au point
une électrode positive non conventionnelle et un
électrolyte compatible, le problème technologique à
résoudre porte sur la cathode à air dans un cas, et sur
la dissolution du soufre ainsi que des polysulfures
formés, dans l’autre cas. Quant à l’électronique de puissance,
elle appelle des systèmes de super-capacités
innovants, dont l’énergie sera extrêmement faible
(moins de 20 Wh/kg) ou des systèmes hybrides
couplant un super condensateur avec un accumulateur
Li-ion. Ces systèmes sont déjà en cours de réflexion.
40 60 80 100
Prototype de kart alimenté par batterie au lithium.
Artechnique / CEA
> Sébastien Martinet et Sébastien Patoux
Institut Liten (Laboratoire d’innovation
pour les technologies des énergies nouvelles
et les nanomatériaux)
Direction de la recherche technologique
CEA Centre de Grenoble
CLEFS CEA - N° 59 - ÉTÉ 2010 71