Dans la précédente lettre d'information WATTALPS TechLetter, nous avons passé en revue les différentes technologies d'électrodes positives disponibles sur le marché. Nous allons maintenant nous intéresser aux électrodes négatives.
Li-métal
Il s'agit de l'électrode négative la plus courante et celle qui est généralement utilisée dans les laboratoires. Dans ce cas particulier, on peut affirmer qu'il ne s'agit pas strictement d'une technologie lithium-ion, car il y a une transformation matérielle au niveau de l'électrode négative où les ions lithium se transforment en lithium métallique (au lieu de s'insérer dans une matrice). Le grand avantage de cette technologie est sa très haute densité énergétique. En revanche, elle est très difficile à maîtriser en raison de la forte modification structurelle de l'électrode négative pendant la décharge (le lithium métallique est consommé). Si la forte teneur en lithium est la clé d'une énergie élevée, elle rend également difficile l'optimisation de la sécurité de la cellule. En effet, le lithium est un matériau pyrophorique lorsqu'il se présente sous forme métallique. L'un des principaux défis consiste à maintenir une bonne homogénéité de la formation du lithium métallique pendant la charge : si la surface n'est pas homogène, un chemin de courant plus facile se formera et créera davantage de distorsion. Ce phénomène peut entraîner la formation de dendrites qui peuvent traverser le séparateur de la cellule et créer un court-circuit à l'intérieur de celle-ci. Il est donc risqué de construire de grands systèmes de stockage. Le groupe Bolloré est très avancé dans cette technologie et l'a combinée avec une membrane polymère et une électrode positive LFP pour la rendre sûre. Néanmoins, la batterie Bolloré doit être chauffée à 80 °C pour fournir du courant. Une consommation électrique de 10 kWh par 24 heures est nécessaire pour maintenir les batteries Autolib à cette température (10 kWh correspondent à environ 50 km d'autonomie).
Graphite
Le graphite est le matériau le plus couramment utilisé pour les électrodes négatives des batteries lithium-ion. Il détient environ 95 % des parts de marché. Il est parfois mélangé à une petite quantité de silicium afin d'augmenter sa capacité spécifique, mais des problèmes réels liés à la durée de vie apparaissent lorsque la teneur en silicium augmente. Le graphite présente une très bonne densité énergétique, une bonne stabilité pendant les cycles et un faible coût. Le principal problème est qu'il n'est pas très stable au contact de l'électrolyte de la cellule. Une couche de passivation se forme alors entre le graphite et l'électrolyte, ce qui est complexe à maîtriser pour garantir à la fois la durée de vie et les performances. En effet, cette couche doit laisser passer facilement les ions lithium tout en empêchant l'électrolyte dans lequel se déplacent les ions lithium d'entrer en contact avec le graphite.
Le potentiel électrochimique du graphite est proche de celui du lithium métal (0,15 V au-dessus). Ainsi, lorsque la résistance entre la couche de passivation et le collecteur de courant négatif devient élevée (charge à basse température, batterie ancienne...), le graphite peut atteindre le potentiel du lithium métal. Dans ce cas, les ions lithium ne s'insèrent pas dans la structure du graphite, mais forment une couche de lithium métal à la surface du graphite. Des dendrites peuvent alors se former et entraîner un court-circuit interne de la cellule, qui peut finalement détruire la cellule. Pour éviter cela, la charge des batteries lithium-ion est très souvent interdite en dessous de 0 °C et le courant de charge est limité en fonction de la température.
Li4Ti5012 (LTO ou titanate)
Les recherches sur le LTO pour les batteries lithium-ion ont débuté en 1993. Il a fallu attendre 2008 pour que Toshiba puisse commercialiser une cellule lithium-ion utilisant cette technologie. Par rapport au graphite, le LTO présente le grand avantage de ne pas former de couche de passivation à l'interface avec l'électrolyte. Cela confère aux cellules LTO un excellent comportement en termes de cyclage et de puissance. De plus, son potentiel électrochimique est supérieur de 1,55 V à celui du lithium métallique, ce qui lui donne une marge beaucoup plus importante pour éviter le placage de lithium. Cette caractéristique augmente sa capacité à se charger à basse température et sa durée de vie.
Les inconvénients de cette technologie sont sa densité énergétique plus faible et son coût. Le LTO est en effet nettement plus cher que le graphite et son potentiel électrochimique réduit la tension de la cellule. D'une tension nominale de 3,7 V pour une cellule graphite/NMC, on obtient une tension nominale de 2,3 V avec des cellules LTO/NMC. La densité énergétique est donc fortement réduite et devient même inférieure à celle obtenue avec des cellules graphite/LFP.
