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

 
    • eBook [PDF]

      97,00 €
    Formats disponibles →  Format PDF
     
     

    Avis des lecteurs  

     

    Présentation

    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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