Les accumulateurs électrochimiques au lithium, haute température et à circulation d'électrolyte
Principes, technologies et applications

Coll. Sciences et technologies de l'énergie électrique

Auteurs :

Directeurs de Collection : MULTON Bernard, SABONNADIÈRE Jean-Claude

Langue : Français

97,00 €

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Date de parution :
Ouvrage 354 p. · 15.6x23.4 cm · Broché · 
ISBN : 9782746239227 EAN : 9782746239227
Éditions Lavoisier

· PDF : 97,00 € ·
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Cet ouvrage analyse les technologies de stockage électrochimique les plus récentes comme les différents accumulateurs au lithium, les batteries sodium-soufre, les batteries au chlorure de nickel (ZEBRA) et les systèmes à circulation d’électrolyte (redox flow).

Dressant tout d’abord un panorama d’applications réelles et chiffrées, Les accumulateurs électrochimiques au lithium, haute température et à circulation d’électrolyte décrit ensuite le fonctionnement interne et les caractéristiques électriques des différentes technologies présentées. Il développe également, pour les technologies commerciales, les grandes règles d’utilisation permettant de préserver leurs performances et prolonger leurs durées de vie. Pour les technologies encore en développement, il expose les principales difficultés qui restent à surmonter pour leur permettre d’atteindre un niveau de maturité suffisant à une mise sur le marché.

Agrémenté d’exercices, cet ouvrage didactique et accessible s’adresse aux métiers du génie électrique et de l’électrochimie, et plus spécifiquement aux enseignants, étudiants, chercheurs et industriels confrontés à l’utilisation de ces systèmes.

Avant-propos

Remerciements

Introduction

PREMIÈRE PARTIE. BESOINS DE STOCKAGE, CARACTÉRISTIQUES DES ACCUMULATEURS, EXEMPLES D’UTILISATION

Chapitre 1. Inventaire des besoins de stockage

1.1. Introduction.

1.2. Les domaines d’application du stockage

1.2.1. Batteries de démarrage

1.2.2. Batteries de traction

1.2.3. Batteries stationnaires

1.2.4. Batteries pour dispositifs portables ou nomades

1.3. Récapitulatif des besoins de stockage et technologies adaptées

1.4. Conclusion

Chapitre 2. Définitions et méthodes de mesure

2.1. Introduction

2.2. Terminologie

2.2.1. Accumulateur

2.2.2. Elément, cellule élémentaire, électrolyte

2.2.3. Electrode, demi-élément

2.2.4. Oxydation, réduction, anode, cathode

2.2.5. Matière active

2.2.6. Tension

2.2.7. Batterie d’accumulateurs, modules, packs, BMS

2.3. Définitions des caractéristiques

2.3.1. Tension nominale

2.3.2. Tension sous courant

2.3.3. Capacités

2.4. Etats de la batterie

2.4.1. Profondeur de décharge

2.4.2. Etat de charge

2.4.3. Etat d’énergie

2.4.4. Etat de santé

2.4.5. Etat fonctionnel

2.4.6. Capacité massique théorique

2.4.7. Capacité massique pratique

2.4.8. Capacité volumique

2.4.9. Capacité spécifique

2.4.10. Résistance interne en continu et courant de court-circuit

2.4.11. Résistance interne en alternatif

2.4.12. Impédance, impédancemétrie, spectroscopie d’impédance

2.4.13. Energie emmagasinée, énergie restituée

2.4.14. Energie massique

2.4.15. Energie volumique

2.4.16. Energie spécifique

2.4.17. Puissance massique et puissance volumique

2.5. Rendement faradique

2.6. Autodécharge

2.7. Courant d’acceptance

2.8. Conclusion

2.9. Annexe 1. Loi de Nernst

2.9.1. Potentiel redox d’une électrode

2.9.2. Force électromotrice d’une cellule électrochimique

2.9.3. Loi de Nernst

2.9.4. Activité des espèces

2.9.5. Exemple d’application de la loi de Nernst à l’accumulateur au lithium utilisant le mécanisme

d’insertion

2.10. Annexe 2. Double couche

2.11. Annexe 3. Impédance de Warburg

2.12. Solution des exercices

Chapitre 3. Exemples réels utilisant un stockage électrochimique

3.1. Introduction

3.1.1. Courants de démarrage de moteurs de véhicules thermiques

3.1.2. Puissance appelée par un émetteur de télécommunication en site isolé

3.1.3. Maison d’habitation en site isolé

3.1.4. Courants dans une batterie de voiture électrique en roulage

3.1.5. Courants lors de la phase de recharge de batteries de voitures électriques

3.1.6. Eclairage urbain autonome

3.2. Conclusion

3.3. Solution des exercices

DEUXIÈME PARTIE. ACCUMULATEURS AU LITHIUM

Chapitre 4. Introduction aux accumulateurs au lithium

4.1. Historique des accumulateurs au lithium

4.2. Les familles d’accumulateurs au lithium

4.3. Les différents mécanismes de fonctionnement des accumulateurs lithium

4.3.1. Matériaux d’intercalation (ou d’insertion)

4.3.2. Alliages

4.3.3. Matériaux de conversion directe

4.3.4. Différences de profils en tension entre les matériaux d’intercalation, les alliages

et les matériaux de conversion

4.3.5. Propriétés des matériaux d’électrode

4.4. Annexes

4.4.1. Annexe 1. Exemples de couples d’oxydant-réducteur

4.4.2. Annexe 2. Dendrites

4.4.3. Annexe 3. Métaux de transition

Chapitre 5. Les éléments de base des accumulateurs lithium-ion : électrodes, électrolytes et

collecteurs

5.1. Introduction

5.2. Fonctionnement de la technologie lithium-ion

5.3. Electrodes positives

5.3.1. Oxydes de métaux de transition lithiés

5.3.2. Oxyde de manganèse

5.3.3. Oxyphosphate de fer lithié

5.3.4. Structures cristallines

5.3.5. Capacités massiques

5.4. Electrodes négatives

5.4.1. Matériaux carbonés

5.4.2. Autres matériaux carbonés

5.4.3. Oxyde de titane lithié

5.4.4. Potentiels électrochimiques

5.4.5. Capacités massiques

5.5. Electrolyte

5.5.1. Electrolyte liquide

5.5.2. Electrolyte polymère

5.6. Collecteurs de courant

5.7. Conclusion

5.8. Solution des exercices

Chapitre 6. Accumulateurs lithium-ion usuels

6.1. Principe de fonctionnement d’assemblages d’électrodes courants

6.1.1. Principe de fonctionnement d’un élément C-LiMO2

6.1.2. Principe de fonctionnement d’un élément C-LiCoO2

6.1.3. Principe de fonctionnement d’un élément C-LiFePO4

6.1.4. Principe de fonctionnement d’un élément Li4 Ti5 O12 -LiMn2 O4

6.1.5. Principe de fonctionnement d’un élément Li4 Ti5 O12 -LiFePO4

6.2. Caractéristiques majeures

6.2.1. Tension d’un élément

6.2.2. Usage « énergie » ou « puissance »

6.2.3. Fenêtre de tension explorée

6.2.4. Charge

6.2.5. Sécurisation des cellules

6.2.6. Défaillances internes

6.2.7. Températures de fonctionnement

6.2.8. Autodécharge

6.2.9. Effet mémoire

6.2.10. Capacités commercialement disponibles

6.2.11. Dépendance de la capacité en fonction du régime de décharge et de la température.

Loi de Peukert

6.2.12. Jauges

6.2.13. Energie massique pratique

6.2.14. Energie volumique pratique

6.2.15. Diagramme des énergies massiques en fonction des énergies volumiques

6.2.16. Puissances massique et volumique

6.2.17. Rendement faradique d’un cycle charge/décharge

6.2.18. Rendement énergétique d’un cycle charge/décharge

6.2.19. Durée de vie moyenne en cclage

6.2.20. Durée de vie calendaire

6.2.21. Phénomènes de dégradation

6.2.22. Sécurité de fonctionnement

6.2.23. Transport et stockage des accumulateurs au lithium

6.2.24. « Packaging »

6.2.25. Procédés de fabrication

6.2.26. Coût énergétique sur cycle de vie

6.2.27. Coût d’achat

6.2.28. Constructeurs et fournisseurs/intégrateurs

6.2.29. Principaux débouchés

6.2.30. Filières de recyclage

6.3. Solution des exercices

Chapitre 7. Développements actuels et futurs des accumulateurs lithium-ion

7.1. Amélioration du fonctionnement et de la sécurité des technologies actuelles

7.1.1. Développement de BMS (Battery Management System) avancés

7.1.2. Développement de systèmes d’équilibrage performants

7.1.3. Synthèse de nouveaux solvants

7.1.4. Introduction de molécules navettes redox pour prévenir la surcharge

7.2. Amélioration des performances intrinsèques (énergie, puissance)

7.2.1. Synthèse de nouveaux matériaux

7.3. Nouveaux formats d’accumulateurs

7.3.1. Développement d’architectures spécifiques : cas du bipolaire

7.3.2. Développement de batteries fines et souples

7.3.3. Développement de microbatteries

7.4. Conclusion

Chapitre 8. Accumulateurs lithium-métal polymère

8.1. Principe de fonctionnement

8.1.1. Electrode positive

10 Accumulateurs électrochimiques

8.1.2. Electrode négative

8.1.3. Electrolyte

8.2. Procédé de fabrication

8.3. Caractéristiques majeures

8.3.1. Tension de fonctionnement

8.3.2. Capacité

8.3.3. Energie massique pratique

8.3.4. Energie volumique pratique

8.3.5. Puissance

8.3.6. Température de fonctionnement

8.3.7. Autodécharge

8.3.8. Durée de vie moyenne en cyclage

8.3.9. Recyclabilité

Chapitre 9. Accumulateurs au lithium-soufre

9.1. Introduction

9.2. L’élément soufre

9.3. Principe de fonctionnement

9.4. Courbe de décharge

9.5. Intérêt du Li-S

9.6. Limitations et inconvénients d’un accumulateur Li-S

9.6.1. Electrode positive

9.6.2. Electrolyte

9.6.3. Electrode négative

9.7. Conclusion

Chapitre 10. Accumulateurs lithium-air

10.1. Introduction

10.2. Principe de fonctionnement

10.2.1. Li-O2 aqueux

10.2.2. Li-O2 organique

10.3. Electrolytes

10.4. Principales limitations

10.4.1. Limitations générales

10.5. Principaux acteurs

10.6. Conclusion

10.7. Annexe. Calcul des énergies massiques théoriques

Chapitre 11. Les ressources de lithium

11.1. État de l’art en matière de disponibilité de la ressource lithium

11.2. Confrontation des ressources avec les besoins de la filière électrique

11.3. Etat des lieux des techniques d’extraction et des réserves de production avérées

11.4. Nature et origine géologique de toutes les ressources potentielles de lithium

11.5. Distribution géographique mondiale des ressources brutes de lithium

11.6. Evolution du coût du lithium

11.7. Bilan

TROISIÈME PARTIE. AUTRES ACCUMULATEURS

Chapitre 12. Batteries haute température et à circulation d’électrolyte

12.1. Introduction

12.2. Technologie sodium-soufre

12.2.1. Principe de fonctionnement

12.2.2. Caractéristiques principales

12.3. Batteries au chlorure de nickel

12.3.1. Principe de fonctionnement

12.3.2. Caractéristiques principales

12.3.3. Disponibilité

12.4. Conclusions sur les batteries haute température

12.5. Batteries à circulation d’électrolyte (systèmes redox flow)

12.5.1. Batteries à circulation d’électrolyte élément au vanadium

12.5.2. Principe de fonctionnement

12.5.3. Caractéristiques principales

12.5.4. Disponibilité

12.5.5. Autres technologies de batteries à circulation d’électrolyte

12.5.6. Conclusion sur les accumulateurs à circulation

Conclusion

Index