Photo: Alexei/Pixabay
Les batteries lithium-ion équipent nos téléphones cellulaires et nos tablettes, nos perceuses et outils sans fil, et nos véhicules électriques. Voici comment elles fonctionnent.
Comparativement aux batteries traditionnelles, les batteries lithium-ion sont plus légères, stockent plus d’énergie, se rechargent plus vite et durent plus longtemps.
Comment ça marche ?
Les électrodes ont une structure chimique « en mille-feuille », qui permet de stocker et de libérer du lithium, et plus précisément des ions de lithium – c’est-à-dire des atomes ayant perdu un électron (Li+).
L’anode et la cathode ne sont pas faites des mêmes matériaux. Lorsqu’on utilise la batterie, cette différence a pour effet d’attirer des électrons vers la cathode. Les électrons proviennent des atomes de lithium (1) présents dans l’anode.
Ces électrons sont incapables de traverser l’électrolyte. Pour rejoindre la cathode, ils doivent « passer par dehors » : ils empruntent le circuit électrique (2) qui alimente notre appareil. Le passage de ces électrons constitue le courant qui fait jouer notre musique, tourner notre perceuse ou rouler notre voiture.
Désormais dépourvus de leur électron (particule négative), les ions lithium portent une charge électrique positive. Pour équilibrer les charges dans la batterie, ils quittent leur nid douillet, migrent à travers l’électrolyte, traversent le séparateur (3) et vont s’insérer dans la cathode (4).
Tant qu’on utilise la batterie, l’anode se vide et la cathode se remplit d’ions lithium. Lorsqu’il n’y a plus d’ions lithium dans l’anode, la batterie est « vide ».
Quand on recharge la batterie, tous les déplacements se font en sens inverse.
De la pile au bloc-batterie
Pour fabriquer une électrode, on doit d’abord dissoudre les matériaux actifs dans un solvant. Cette pâte est appliquée comme une peinture sur de minces films métalliques (10 micromètres) qui se déplacent à haute vitesse dans les machines. « Fabriquer des cellules de batterie, c’est de la haute précision et de la haute automatisation », dit l’ingénieur Denis Geoffroy.
Pour faire évaporer le solvant, on passe les électrodes au four, une étape énergivore. On va ensuite les enrouler et les placer dans un boîtier cylindrique. Ou encore, les couper selon des dimensions très précises pour les empiler dans un sachet souple ou un boîtier rectangulaire rigide.
Chaque pile (ou cellule) individuelle fournit 3 ou 4 volts maximum. Pour créer une batterie de la puissance et de la capacité voulues, on connecte plusieurs cellules pour obtenir un module. En regroupant plusieurs modules avec divers systèmes (refroidissement, protection contre les chocs, surveillance et gestion des performances de la batterie…), on obtient un bloc-batterie (battery pack en anglais).
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