Matériaux de cathode

Types de batterie et de pile au lithium-ion

Loin d'avoir atteint sa maturité, la technologie des batteries et des piles au lithium-ion fait l'objet d'améliorations constantes. Afin de comprendre les possibilités de perfectionnement que recèle cette technologie, il importe d'examiner comment sont fabriquées l'anode et la cathode des piles d'aujourd'hui.

Actuellement, une anode est composée d'un mélange de graphite, alors qu'une cathode comprend du lithium combiné à divers autres métaux, et tous les matériaux d'une batterie ou d'une pile comportent une énergie massique théorique donnée. Dans le cas des batteries et des piles au lithium-ion, l'anode a été amplement optimisée par l'industrie, et des modifications supplémentaires à sa conception ne permettraient pas d'apporter une amélioration importante à son rendement. Toutefois, le matériau de cathode peut quant à lui donner lieu à de multiples perfectionnements, ce qui explique pourquoi la recherche actuelle sur les batteries et les piles accorde tant d'importance à cet élément. Il est à ce titre intéressant d'observer que la capacité des batteries et des piles produites par l'industrie augmente progressivement de 8 à 10 % chaque année, et qu'on ne prévoit pas un fléchissement de cette tendance. également, les liants de polyfluorure de vinylidène (PVDF) et de caoutchouc butadiène-styrène (SBR) sont toujours employés sur les feuilles de cuivre et d'aluminium utilisées dans la fabrication des batteries et des piles au lithium-ion.

De nos jours, le lithium-ion peut être de diverses couleurs et le matériau de cathode constitue à ce titre le principal élément entraînant des différences dans sa composition.

Le tableau ci-dessous divise en quatre groupes les types de composition chimique des cathodes de batteries et de piles au lithium-ion les plus courants : le cobalt, le manganèse, le nickel-cobalt-manganèse (NCM) et le phosphate.

MATéRIAUX DE CATHODE - Types de batteries au lithium-ion
Composition chimique	Tension nominale	Tension de charge max.	Débit C de charge et de décharge	énergie massique (Wh/kg)	Applications
Cobalt	3,60 V	4,20 V	1 C max.	110-190	Téléphones cellulaires, caméras, ordinateurs portables
Manganèse (spinelle)	3,7-3,80 V	4,20 V	10 C constant 40 C impulsions	110-120	Outils électriques, équipement médical
NCM (nickel-cobalt-manganèse)	3,70 V	4,10 V*	~ 5 C constant 30 C impulsions	95-130	Outils électriques, équipement médical
Phosphate	3,2-3,30 V	3,60 V*	35C constant	95-140	Outils électriques, équipement médical
*Des tensions plus élevées donnent une capacité accrue, mais réduisent le cycle de vie.

Matériaux actifs de cathode pour batteries et piles au lithium-ion les plus courants

Mises sur le marché en 1991 par la société Sony, les piles au lithium-ion à base de cobalt ont connu un succès immédiat en raison de leur énergie massique élevée. Le lithium-ion à base de spinelle a cependant reçu un accueil moins favorable lors de son arrivée sur le marché quelques années plus tard, en 1996. Le succès mitigé du lithium-ion à base de spinelle est probablement lié à sa faible énergie massique, qui ne correspondait pas à ce que le marché du temps recherchait avant tout, c'est-à-dire une durée de charge plus longue. Aujourd'hui, avec l'arrivée en masse sur le marché d'appareils mobiles nécessitant un régime de courant plus élevé, la demande en spinelle atteint des sommets inégalés. Ironiquement, les fabricants de piles et de batteries ont actuellement de la difficulté à répondre à la demande du marché pour ce type de batterie et de pile, ce qui explique pourquoi il y a peu de publicité faisant la promotion de ce produit.

La société Sony concentre actuellement ses efforts sur le lithium-ion à base de nickel-cobalt-manganèse (NCM). La cathode des batteries et des piles de ce type est composée de cobalt, de nickel et de manganèse amalgamés dans un réseau cristallin formant un oxyde polymétallique auquel on ajoute le lithium. Cette catégorie de batteries et de piles comprend divers produits répondant à différents besoins d'utilisateurs en matière d'énergie massique élevée ou de capacité de forte charge.

Des matériaux de nano-phosphate sont ajoutés à la cathode, ce qui permet d'obtenir une batterie ou une pile au lithium-ion ayant le niveau d'énergie massique en W/kg le plus élevé sur le marché. La pile peut être déchargée de façon continue à 100 % de sa profondeur de décharge à un débit C de 35 et subir des impulsions de décharge à un débit C aussi élevé que 100.

Le graphique ci-dessous compare l'énergie massique (Wh/kg) des trois types de composition chimique de lithium-ion ci-dessus à la composition traditionnelle des batteries ou piles au plomb-acide, au nickel-cadmium et au nickel-métal-hydrure. L'amélioration progressive qu'apportent le manganèse et le phosphate par rapport aux technologies plus anciennes est des plus manifestes. C'est l'oxyde de cobalt et de lithium qui apporte le niveau d'énergie massique le plus élevé, bien que sa stabilité à la chaleur et sa capacité à produire des courants de forte tension ne soient peut-être pas suffisantes.

L'intérêt pour les liants aqueux à base de butadiène-styrène (SBR) s'est accru de façon considérable au sein de l'industrie, parce que leur utilisation est de façon inhérente plus sécuritaire que celle du polyfluorure de vinylidène (PVDF) à base de N-méthyl-pyrrolidine (NMP). Par ailleurs, en plus d'accélérer leur processus de fabrication, les entreprises qui utilisent des liants aqueux à base de butadiène-styrène (SBR) sont perçues comme étant soucieuses de l'environnement.