De nombreux types de batteries sont utilisés aujourd'hui, dont l'une des plus importantes est la batterie lithium-ion (Li-ion). La batterie Li-ion est omniprésente dans le monde de la technologie et sa découverte a joué un rôle central dans la réalisation de nombreuses autres technologies, telles que les appareils portables, les ordinateurs portables, etc. L'importance des batteries Li-ion dans le monde de la technologie a également été reconnue lorsque les scientifiques qui l'ont développée ont remporté le prix Nobel de chimie 2019. Si l'importance des batteries Li-ion dans les technologies modernes ne peut être sous-estimée, celles-ci ne sont en fait qu'un exemple parmi tant d'autres batteries à ions métalliques, mais leur utilisation a été plus répandue car elles sont plus efficaces et plus sûres. Toutes les innovations en matière de batteries reposent sur un certain nombre de réactions chimiques - la chimie des matériaux et l'électrochimie - qui permettent à ces batteries de fonctionner.
Toutes les batteries à ions métalliques sont des batteries rechargeables. La création des batteries à ions métalliques fait appel à une chimie des matériaux très poussée. Chaque batterie à ions métalliques est constituée de deux électrodes (anode et cathode), d'un électrolyte, d'une membrane séparatrice et d'un circuit électronique externe. Lorsque l'on parle de batteries à ions métalliques, quatre principaux exemples viennent à l'esprit. L'exemple le plus évident est la batterie Li-ion, mais il y a également la batterie aluminium-ion (Al-ion), la batterie sodium-ion (Na-ion) et la batterie lithium-ion polymère (LiPo). Les principaux éléments de différenciation de ces quatre batteries sont la composition des électrodes, de l'électrolyte et des ions qui sont les porteurs de charge actifs de la batterie.
Les batteries Li-ion ont souvent une cathode à base de lithium, qui peut être constituée d'un oxyde de lithium, d'un oxyde de lithium en couches ou d'un matériau polyanionique. L'anode est composée de carbone, mais les matériaux peuvent varier considérablement. L'option la plus courante est le graphite, mais des développements récents ont permis d'utiliser le graphène et les électrodes hybrides graphène-graphite comme matériaux anodiques, entre autres composites de carbone. L'électrolyte est un liquide et un sel de lithium efficace pour transporter les ions de lithium. C'est un mélange complexe de divers constituants organiques et non aqueux, comme le carbonate d'éthylène (ou de diéthylène) avec des sels anioniques LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiBF4 ou LiCF3SO3. Les batteries lithium-ion sont les plus efficaces car les ions de lithium peuvent pénétrer dans les électrodes, subir efficacement des réactions électrochimiques et sortir facilement de l'électrode. Cela rend les cycles de charge et de décharge de la batterie plus efficaces.
La composition des batteries Na-ion n'est pas très différente de celle des batteries Li-ion, car les deux ions actifs ont une seule charge positive. Dans les batteries Na-ion, les ions sodium sont les porteurs de charge, les cathodes sont des matériaux composites constitués d'oxydes de métaux de transition sodiques, et les anodes sont généralement composées de carbone amorphe. Les électrolytes peuvent être de nature aqueuse ou non aqueuse, mais les équivalents sodium des électrolytes de sel anionique non aqueux trouvés dans les batteries Li-ion sont les plus largement utilisés, le NaPF6 étant le choix le plus courant.
Bien que moins connues, les batteries Al-ion sont très prometteuses. Si elles font l'objet de nombreuses recherches, c'est principalement parce que l'aluminium porte trois charges contre une seule pour le lithium, ce qui permet de stocker des énergies bien plus importantes. Cependant, la charge efficace importante des ions aluminium fait qu'ils ont plus de mal à sortir des électrodes une fois qu'ils ont subi des réactions électrochimiques. Pour cette raison, ils n'ont pas encore été utilisés à des fins commerciales. En général, l'anode et la cathode sont respectivement constituées de matériaux à base d'aluminium et de graphite, l'électrolyte étant un liquide composé d'espèces de chlorure d'aluminium. Toutefois, tous ces domaines de base sont actuellement en cours de développement et pourraient évoluer au fur et à mesure que de nouvelles recherches permettront d'obtenir des matériaux/espèces chimiques plus efficaces.
La batterie LiPo, qui est en fait une variante de la batterie Li-ion classique, se distingue des autres. Les deux électrodes sont composées des mêmes matériaux que les batteries Li-ion, mais la principale différence réside dans l'électrolyte. Plutôt que d'être constitué d'un liquide non aqueux, l'électrolyte est composé d'un polymère, ce qui lui donne une consistance de gel (semi-solide), mais reste suffisamment fluide pour transporter les ions de lithium. La plupart des électrolytes utilisés dans les batteries LiPo sont composés de polymères solides, tels que le poly(éthylèneoxyde) (PEO), le poly(acrylonitrile) (PAN), le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ou le poly(fluorure de vinylidène) (PVdF), qui ont été dispersés dans un solvant organique pour leur donner la consistance gélifiée requise.
Nous avons évoqué les matériaux utilisés pour construire les électrodes et les matériaux utilisés comme électrolyte. Le mécanisme de fonctionnement de base est le même pour la plupart des batteries à ions métalliques. Il est donc plus facile d'utiliser un exemple plutôt que de discuter des principes de fonctionnement de toutes les batteries. La batterie Li-ion en est le meilleur exemple ; cependant, pour les batteries Al-ion et Na-ion, les principes sont les mêmes si vous remplacez les ions Li par des ions Al et Na respectivement. Il convient de noter que les réactions électrochimiques spécifiques qui se produisent au niveau de l'anode et de la cathode sont différentes pour toutes les batteries. Il y a donc beaucoup trop de réactions électrochimiques pour pouvoir les mentionner en détail.
On distingue deux mécanismes principaux dans une batterie rechargeable : la charge et la décharge. Le mécanisme de charge est le processus par lequel la batterie stocke l'énergie, et la décharge est le moment où elle la libère (par exemple, lorsqu'un appareil est activé). Lorsque la batterie est chargée, les électrons de la source d'énergie qui la charge se combinent aux ions de lithium dans la cathode. Les ions se déplacent alors à travers l'électrolyte et le séparateur jusqu'à l'anode, où ils pénètrent par les trous moléculaires du matériau de l'anode (un processus appelé intercalation). L'énergie est alors stockée sous la forme d'électrons liés aux ions de lithium dans l'anode. Lorsque le dispositif contenant la batterie est allumé, l'anode subit une réaction d'oxydation qui fait sortir les ions de lithium de l'anode et les déplace vers la cathode (où ils s'intercalent). Les électrons stockés sont alors libérés pour générer un courant électrique qui alimente l'appareil. Si une batterie n'est pas utilisée ou chargée, les ions de lithium se désorbent dans le milieu électrolytique entre les électrodes.
La plupart des batteries à ions métalliques fonctionnent de manière similaire, le facteur principal de différenciation étant la composition chimique des électrodes et de l'électrolyte, qui affecte les réactions électrochimiques qui se produisent dans la batterie. Ces réactions électrochimiques peuvent également différer pour des batteries identiques utilisant des électrolytes différents. Parmi les différentes batteries à ions métalliques, les batteries Li-ion sont les plus efficaces car les ions de lithium peuvent facilement se déplacer entre les électrodes et effectuer les réactions électrochimiques nécessaires sans rester coincés dans les trous moléculaires des électrodes. Les batteries à l'aluminium sont très prometteuses, mais, avant de pouvoir les commercialiser, il faudra d'abord résoudre les problèmes liés aux ions chargés qui quittent les électrodes.