Titre : | Les accumulateurs électrochimiques au lithium, haute température et à circulation d'électrolyte : principes, technologies et applications |
Auteurs : | Christian Glaize, Auteur ; Sylvie Geniès, Auteur |
Type de document : | Monographie imprimée |
Editeur : | Paris : Hermès science publications-Lavoisier, DL 2013 |
Collection : | Collection Sciences et technologies de l'énergie électrique, ISSN 1952-1847 |
ISBN/ISSN/EAN : | 978-2-7462-3922-7 |
Format : | 1 vol. (353 p.) / ill. / 24 cm |
Note générale : | Index |
Langues: | Français |
Index. décimale : | 621.312 424 |
Catégories : |
[Agneaux] Accumulateurs |
Résumé : |
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. |
Sommaire : |
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 |
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