Comment fonctionne une batterie lithium-ion?

Becky Chapman
Lisibilité
8.16

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre l’électrochimie à l’œuvre dans les appareils que tu utilises tous les jours.

Imagine un monde sans batteries lithium-ion. On les appelle également des piles lithium-ion, des accumulateurs lithium-ion ou des batteries au lithium ionique. Tout d’abord, les appareils mobiles ne ressembleraient pas à ceux que tu connais. Les téléphones mobiles et les ordinateurs portatifs seraient énormes et lourds. Par ailleurs, ces appareils seraient tellement chers que seules les personnes très riches auraient les moyens de les acheter. Cette situation correspond au monde des années 1980. Effrayant, n’est-ce pas?

Le savais-tu?

SONY a fabriqué les premières batteries lithium-ion en 1991.

Les batteries lithium-ion jouent désormais un rôle central dans notre culture mobile. Elles alimentent un grand nombre de technologies que nous utilisons.

Que sont les composants d’une batterie lithium-ion?

Une batterie est composée de plusieurs piles individuelles connectées les unes aux autres. À son tour, chaque pile comprend trois éléments principaux : une électrode positive (une cathode), une électrode négative (une anode) et un électrolyte liquide.

Les composants d’une pile lithium-ion
Les composants d’une batterie lithium-ion (© 2019 Parlons sciences, à partir d’une image de ser_igor sur iStockphoto).

Tout comme les piles sèches alcalines utilisées dans les horloges et les télécommandes, les batteries lithium-ion fournissent de l’énergie par le mouvement des ions. Sous sa forme élémentaire, le lithium est extrêmement réactif. Le lithium élémentaire n’est donc pas utilisé dans les batteries lithium-ion. La cathode contient plutôt du lithium métallique, comme le dioxyde de cobalt et de lithium (LiCoO2). C’est ce qui fournit les ions de lithium. Quant à l’anode, elle contient du lithium carbonique. L’emploi de ces matériaux permet l’intercalation. Il s’agit de l’insertion d’une molécule entre deux autres molécules. Dans ce cas, les ions de lithium peuvent facilement s’insérer dans les électrodes, ou s’en retirer.

Quelles réactions chimiques ont lieu à l’intérieur des batteries lithium-ion?

Des réactions de réduction-oxydation (redox) ont lieu à l’intérieur d’une batterie lithium-ion.

La réduction a lieu du côté de la cathode. Là, l’oxyde de cobalt se combine aux ions de lithium pour former de l’oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2). Cela donne la demi-réaction suivante :

CoO2 + Li+ + e- → LiCoO2

L’oxydation a lieu de côté de l’anode. Là, le composé d’intercalation de graphite (LiC6) forme du graphite (C6) et des ions de lithium. Cela donne la demi-réaction suivante :

LiC6 → C6 + Li+ + e-

Et voici la réaction complète (de gauche à droite = décharge, de droite à gauche = charge) :

LiC6 + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2

Comment recharge-t-on une batterie lithium-ion?

Pendant que la batterie lithium-ion de ton téléphone mobile alimente l’appareil, des ions positifs de lithium (Li+) se déplacent de l’anode négative à la cathode positive. Pour ce faire, les ions traversent l’électrolyte pour atteindre l’électrode positive. C’est là que les ions sont déposés. Par contre, les électrons se déplacent de l’anode à la cathode.

Pile lithium-ion décharge
Ce qui se produit lorsqu’une batterie lithium-ion se décharge (© 2019 Parlons sciences, à partir d’une image de ser_igor sur iStockphoto).

 

Graphique - Version textuelle

Lorsqu’une batterie alimente un appareil, les ions de lithium se déplacent de l’anode à la cathode et les électrons se déplacent de la cathode à l’anode.

 

Le processus s’inverse lorsqu’on recharge la batterie. Les ions de lithium se déplacent de la cathode à l’anode, tandis que les électrons se déplacent de l’anode à la cathode.

Pile lithium-ion charge
Ce qui se passe lorsqu’une batterie lithium-ion se charge (© 2019 Parlons sciences, à partir d’une image de ser_igor sur iStockphoto).

 

Graphique - Version textuelle

Lorsqu’on recharge la batterie, les ions de lithium se déplacent de la cathode à l’anode et les électrons se déplacent de l’anode à la cathode.

 

Aussi longtemps que les ions de lithium se déplacent d’une électrode à l’autre, il y a un flux constant d’électrons. C’est ce qui crée l’énergie dont ton appareil a besoin pour fonctionner. Étant donné que le cycle peut se répéter des centaines de fois, on dit que ce type de batterie est rechargeable.

Le savais-tu?

En anglais, les batteries lithium-ion sont parfois appelées des « rocking chair batteries » (batteries de type chaise berçante), car les ions de lithium basculent entre les deux électrodes.

Pourquoi les batteries lithium-ion sont-elles bien adaptées aux technologies mobiles?

C’est très simple. Les batteries lithium-ion ont la densité de charge la plus élevée parmi les systèmes comparables. Elles peuvent donc fournir beaucoup d’énergie sans être trop lourdes.

Deux caractéristiques du lithium expliquent cette grande densité de charge. D’abord, il s’agit de l’élément chimique le plus électropositif. L’électropositivité correspond à la capacité d’un élément à partager des électrons afin de produire des ions positifs. Autrement dit, c’est une mesure de la facilité avec laquelle un élément peut produire de l’énergie. Le lithium perd très facilement des électrons. Ainsi, il peut facilement produire beaucoup d’énergie.

Le lithium est également le plus léger de tous les métaux. Comme tu viens de l’apprendre, on utilise des matériaux d’intercalation pour les électrodes des batteries lithium-ion, plutôt que du vrai lithium. Néanmoins, ces batteries sont beaucoup moins lourdes que celles faites de métaux comme le plomb ou le nickel.

Y a-t-il des risques associés à l’utilisation des batteries lithium-ion?

Les batteries lithium-ion ont des caractéristiques très impressionnantes. Toutefois, elles ont également des désavantages. Tout d’abord, elles s’épuisent très rapidement, même si elles ne sont pas utilisées. Une batterie lithium-ion typique dure seulement entre deux et trois ans. Une telle fréquence de remplacement implique des coûts importants. Par ailleurs, la production et l’élimination des batteries lithium-ion ont un grand impact sur l’environnement. Une plus longue durée de vie serait donc très bénéfique.

Comme tu viens de l’apprendre, le lithium est extrêmement réactif. Les fabricants de batteries lithium-ion doivent prendre certaines précautions afin que le public puisse les utiliser en toute sécurité. Cependant, tu as peut-être entendu parler d’appareils électroniques, tels que des ordinateurs portatifs ou des téléphones mobiles, qui ont pris feu en raison de batteries défectueuses. Il s’agit peut-être d’une bonne excuse pour remettre un devoir en retard, mais ce problème peut également créer des situations dangereuses. Pour des raisons de sécurité, les piles lithium-ion comprennent un séparateur. Celui-ci empêche les électrodes de se toucher. Mais si le séparateur est déchiré ou endommagé, le contact entre les électrodes peut provoquer une très grande accumulation de chaleur. Et si cette accumulation de chaleur produit une étincelle, l’électrolyte, qui est hautement inflammable, peut prendre feu.

Le feu peut facilement se propager aux autres piles de la batterie. Soudainement, ton ordinateur portatif est transformé en une flaque de plastique fondu. Une accumulation de chaleur peut également faire augmenter la pression à l’intérieur de ton ordinateur portatif, puis… BOUM! 

Regarde ce qui se passe quand une batterie lithium-ion est en surchauffe (1 min 13 s).

 

Cependant, inutile de trop t’inquiéter. De telles situations sont rares. En fait, les batteries lithium-ion sont très sécuritaires. De plus, on poursuit des recherches pour améliorer chaque composant de ces batteries. Par exemple, des chercheurs ont créé un électrolyte liquide qui se transforme en solide lorsqu’il subit un impact. Ainsi, les batteries seront moins susceptibles d’être surchauffées ou de prendre feu si elles sont endommagées! Bientôt, les batteries lithium-ion seront probablement encore plus sécuritaires, plus durables et même moins chères.

Le savais-tu?

Le plupart de voitures électriques fonctionnent avec les batteries lithium-ion. On voit de plus en plus de voitures qu’il faut brancher à une prise électrique au lieu de faire le plein d’essence!

Points de départ

Connecter et Relier

  • Connais-tu quelqu’un qui a déjà été victime d’un accident impliquant des batteries lithium-ion? Que s’est-il passé?
  • Possèdes-tu un appareil muni d’une batterie lithium-ion? As-tu dû remplacer la batterie parce qu’elle était épuisée?
  • Si on trouvait une solution plus sécuritaire que les batteries lithium-ion, mais dont le prix était plus élevé, serais-tu prêt à payer plus cher?

Connecter et Relier

  • Connais-tu quelqu’un qui a déjà été victime d’un accident impliquant des batteries lithium-ion? Que s’est-il passé?
  • Possèdes-tu un appareil muni d’une batterie lithium-ion? As-tu dû remplacer la batterie parce qu’elle était épuisée?
  • Si on trouvait une solution plus sécuritaire que les batteries lithium-ion, mais dont le prix était plus élevé, serais-tu prêt à payer plus cher?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Malgré les problèmes qui persistent, notamment en matière de sécurité, les batteries lithium-ion sont devenues des composants standards des appareils électroniques. Devrait-on obliger les fabricants à assumer la responsabilité de tout accident impliquant leurs produits? Ou le public devrait-il utiliser ces appareils « à ses propres risques »?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Malgré les problèmes qui persistent, notamment en matière de sécurité, les batteries lithium-ion sont devenues des composants standards des appareils électroniques. Devrait-on obliger les fabricants à assumer la responsabilité de tout accident impliquant leurs produits? Ou le public devrait-il utiliser ces appareils « à ses propres risques »?

Explorer les Concepts

  • Pourquoi le lithium est-il un bon choix de matériau pour les batteries rechargeables?
  • Dans quelle direction les ions de lithium se déplacent-ils lorsque la batterie alimente un appareil? Dans quelle direction les ions de lithium se déplacent-ils lorsqu’on recharge la batterie?
  • Quel rôle l’électrolyte joue-t-il?
  • Les batteries lithium-ion sont « rechargeables », tout comme les batteries d’accumulateurs au plomb qu’on utilise dans les voitures. Compare le fonctionnement de ces deux types de batteries.

Explorer les Concepts

  • Pourquoi le lithium est-il un bon choix de matériau pour les batteries rechargeables?
  • Dans quelle direction les ions de lithium se déplacent-ils lorsque la batterie alimente un appareil? Dans quelle direction les ions de lithium se déplacent-ils lorsqu’on recharge la batterie?
  • Quel rôle l’électrolyte joue-t-il?
  • Les batteries lithium-ion sont « rechargeables », tout comme les batteries d’accumulateurs au plomb qu’on utilise dans les voitures. Compare le fonctionnement de ces deux types de batteries.

Littératie Médiatique

  • As-tu déjà réfléchi à la quantité d’énergie consommée par les appareils médicaux (p. ex. les défibrillateurs externes, les appareils auditifs, les outils chirurgicaux, les glucomètres ou les pompes à perfusion)? Recherche des reportages sur les batteries lithium-ion défectueuses dans ces appareils. Quels sont quelques-uns des principaux problèmes liés au mauvais fonctionnement des batteries dans les appareils médicaux?

Littératie Médiatique

  • As-tu déjà réfléchi à la quantité d’énergie consommée par les appareils médicaux (p. ex. les défibrillateurs externes, les appareils auditifs, les outils chirurgicaux, les glucomètres ou les pompes à perfusion)? Recherche des reportages sur les batteries lithium-ion défectueuses dans ces appareils. Quels sont quelques-uns des principaux problèmes liés au mauvais fonctionnement des batteries dans les appareils médicaux?

Suggestions d'enseignement

  • Vous pouvez vous servir de l’article dans le cadre d’un cours sur la chimie ou sur l’ingénierie et la technologie afin d’aborder l’électrochimie et le stockage de l’énergie. La ressource présente notamment les concepts suivants : les batteries lithium-ion, les piles, les électrodes, les électrolytes, les batteries rechargeables, les groupes d’éléments (tableau périodique), les matériaux d’intercalation, la densité de charge, les séparateurs et l’inflammabilité.
  • Avant de lire l’article, vous pouvez demander aux élèves de remplir un Billet d’entrée. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage Billet d’entrée sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir lu l’article, vous pouvez demander aux élèves de comparer les aspects positifs et négatifs des batteries lithium-ion à l’aide d’un Organisateur du pour et du contre. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Pour en apprendre davantage, vous pouvez demander aux élèves de faire des recherches sur l’histoire et le développement des batteries rechargeables. À l’aide de la stratégie d’apprentissage Créer votre propre frise chronologique, les élèves pourraient créer une frise chronologique qui met en valeur les innovations majeures dans le développement des batteries lithium-ion et qui souligne l’importance de ces innovations. Une feuille de soutien pour la stratégie d’apprentissage Créer votre propre frise chronologique est disponible en formats [Google doc] et [.pdf].

Suggestions d'enseignement

  • Vous pouvez vous servir de l’article dans le cadre d’un cours sur la chimie ou sur l’ingénierie et la technologie afin d’aborder l’électrochimie et le stockage de l’énergie. La ressource présente notamment les concepts suivants : les batteries lithium-ion, les piles, les électrodes, les électrolytes, les batteries rechargeables, les groupes d’éléments (tableau périodique), les matériaux d’intercalation, la densité de charge, les séparateurs et l’inflammabilité.
  • Avant de lire l’article, vous pouvez demander aux élèves de remplir un Billet d’entrée. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage Billet d’entrée sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir lu l’article, vous pouvez demander aux élèves de comparer les aspects positifs et négatifs des batteries lithium-ion à l’aide d’un Organisateur du pour et du contre. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Pour en apprendre davantage, vous pouvez demander aux élèves de faire des recherches sur l’histoire et le développement des batteries rechargeables. À l’aide de la stratégie d’apprentissage Créer votre propre frise chronologique, les élèves pourraient créer une frise chronologique qui met en valeur les innovations majeures dans le développement des batteries lithium-ion et qui souligne l’importance de ces innovations. Une feuille de soutien pour la stratégie d’apprentissage Créer votre propre frise chronologique est disponible en formats [Google doc] et [.pdf].

En savoir plus

Références

Alarco, J., & Talbot, P. (2015, avril 30). The history and development of batteries. Phys.org.

Dell, R. M., & Rand, D. A. (2001). Understanding batteries. RSC Paperbacks.

Hordé. T., Achard, P., & Metkemeijer, R. (2012). Schematic of the working principle of a Li-ion battery. HAL archives-ouvertes.fr & ResearchGate.

Tarascon, J. M., & Armand, M. (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature, 414(6861), 359-367. DOI:10.1038/35104644

Treptow, R. S. (2003). Lithium Batteries: A Practical Application of Chemical Principles. Journal of Chemical Education, 80(9), 1015. DOI:10.1021/ed080p1015

Wilson, Tracy V. (n.d.) What Causes Laptop Batteries to Overheat? HowStuffWorks.

Woodford, C. (2018, aout 3). Lithium-ion batteries. Explain that Stuff.