Batterie lithium

[donkey-king]

Bonjour,

Pour mes TPE, j'ai une partie sur les batteries au lithium à traiter, cependant j'ai un problème :
- dans mon livre de 1ère S au chapitre sur les piles et les réactions d'oxydoréduction il est inscrit : "Oxydant : espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons
Réducteur : espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons"
- sur Wiki par exemple il est inscrit : "L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (émission d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (absorption d'électrons)"

Je ne comprends pas trop là, quelqu'un peut m'aider à comprendre !

Anode s'est psitif, négatif, réducteur ? ...

Merci beaucoup !
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[JPL]

C'est normal. Un réducteur réduit en "donnant" des électrons mais dans cette opération il s'oxyde. Donc l'émission d'électrons est bien une oxydation. Inversement un oxydant capte des électrons, mais dans cette opération il devient réduit.

[donkey-king]

Super merci, c'est maintenant plus clair.
Dernière chose au niveau des "couples" de matériaux pour l'anode et la cathode quels sont-ils pour les lipo et li-ion ?

Merci

[moco]

L'anode est le siège de l'oxydation, que la batterie fonctionne en charge ou en décharge.
En fonctionnement normal (décharge), l'anode est le lithium métallique Li. Mais ce lithium a été poussé par compression à l'intérieur du graphite, entre les feuillets de graphème, formés eux-même d'hexagones d'atomes C. Le couple anode est donc Li/Li⁺, ou Li⁺/Li si tu préfères, et il émet les électrons qui iront traverser le circuit électrique extérieur. Il émet aussi des ions lithium Li⁺. De l'autre côté, à la cathode, il y a un étrange composé LiCoO₂, où le cobalt Co est exceptionnellement au degré d'oxydation +3. Quand arrive un électron, ce composé réagit avec cet électron, et aussi avec un ion lithium en solution, selon : LiCoO₂ + Li⁺ + e^- --> Li₂CoO₂. Et le composé formé contient du cobalt au degré d'oxydation habituel +2. Le couple est difficile à décrire simplement. On devrait écrire : (LiCoO₂+Li⁺)/Li₂CoO₂. Mais on se simplifie souvent la tâche en écrivant : Co(III)/Co(II).

[A voir en vidéo sur Futura]

[donkey-king]

Merci, ce que vous venez de détailler est pour une batterie lithium-ion ?
Au niveau de l’électrolyte quel est le composé ?

Merci

[donkey-king]

Bonjour,

Quelqu’un pourrait me confirmer que les textes de mes TPE ci-dessous sont justes ?



"Explications :

Pour faire simple, une batterie est une suite de cycle de transformation de réactifs en produits (décharge) et de produits en réactifs (charge).
Les pertes de performances des batteries sont simples à expliquer : à chaque cycle de charge, il est impossible de re-transformer tous les produits en réactifs ce qui fait donc perdre des réactifs et donc des capacités pour les transformations suivantes.

Chaque batterie est constituée de modules contenant chacun 4 cellules. Dans ces cellules sont stockées de l'énergie chimique qui lors de l'utilisation se transforme en énergie électrique par une réaction d’oxydoréduction.
En phase d'utilisation, les ions lithium migrent de l'anode vers la cathode en passant par l'électrolyte.
A l’inverse, lors de la charge de la batterie, les ions lithium partent de la cathode vers l’anode. La batterie retrouve donc son état initial.

En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et gagnent des électrons.
En phase de charge les ions lithium arrivent à la surface de l’électrode négative (anode) et libèrent des électrons.
Le électrons sont échangés par les fils électriques pour faire fonctionner le moteur électrique. "



"Définitions :

Batterie : Accumulateur rechargeable qui stocke de l'énergie chimique et la transforme en énergie électrique dès lors qu'elle est branchée.
Elle rend possible une réaction qui semblait impossible (en l'absence de contact direct) grâce aux fils électriques (circuit fermé).

Électrolyte : Substance placée entre les deux électrodes contenant des ions qui la rende conductrice

Cathode : Électrode positif, composée de matériaux oxydants (réaction de réduction)

Anode : Électrode négatif, composée de matériaux réducteurs (réaction d'oxydation)

Oxydant : Espèce chimique qui capte des électrons, mais qui dans cette opération devient réduit.

Réducteur : Espèce chimique qui réduit en "donnant" des électrons mais qui dans cette opération s'oxyde

Réduction : Absorption d'électrons / Oxydation*: Émission d'électrons"



"Phase de décharge

Une batterie possède une borne positive et une borne négative. Lorsque la batterie est branchée à des câbles électriques, une réaction électrochimique crée le courant électrique (la circulation d’électrons est constante). À l'intérieur de la batterie, l'énergie chimique se manifeste par un transfert de matière grâce à une circulation des ions. À l'extérieur de la batterie, l'énergie électrique se manifeste par un déplacement d'électrons.

Phase de charge

Pendant la charge, la batterie est réceptrice du courant fourni par le secteur. Un générateur est placé aux bornes de la batterie et débite en sens inverse dans le système. Une batterie chargée est une batterie qui possède de nouveau de l'énergie chimique utilisable."



"Lithium-polymère :
- anode : lithium métallique
- électrolyte : polymère
- cathode : carbone (seul rôle de conducteur)"

"Lithium-ion :
- anode : lithium métallique
- cathode : LiCoO2 (cobalt ...)"


Merci beaucoup !

[moco]

Je commente une ou l'autre de tes affirmations. je commence par "à chaque cycle de charge, il est impossible de re-transformer tous les produits en réactifs ce qui fait donc perdre des réactifs et donc des capacités pour les transformations suivantes". Ce n'est pas vrai. Si une batterie est bien conçue, et pas trop malmenée (secousses, etc.) on peut la recharger indéfiniment.
Autre phrase fantaisiste :"Chaque batterie est constituée de modules contenant chacun 4 cellules". Le nombre de cellules est arbitraire et peut être différent de 4.
Autre phrase discutable : "En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et gagnent des électrons". Ce ne sont pas les ions lithium qui captent les électrons. Mais ce sont les atomes de cobalt.
Autre phrase incorrecte : "En phase de charge les ions lithium arrivent à la surface de l’électrode négative (anode) et libèrent des électrons".
En phase de charge, donc en électrolyse, les ions lithium arrivent bien sur l'électrode négative. Mais elle ne fonctionne plus en anode. Elle fonctionne en cathode, et les ions lithium absorbent des électrons. Ils n'en émettent pas. Ils ne pourraient pas. Ils n'en ont pas !
Autre méprise : "Anode : Électrode négatif, composée de matériaux réducteurs (réaction d'oxydation)". Une anode est le pôle négatif quand la cellule fonctionne en pile, et débite du courant. Elle est le siège de l'oxydation. En régime de recharge, les réactions chimiques s'inversent, et l'anode devient cathode. Mais l'électrode négative reste négative, même s'il y a alors une réduction sur cette électrode.
Autre méprise : "Lithium-ion :
- anode : lithium métallique
- cathode : LiCoO2 (cobalt ...)"
Le lithium métallique est toujours le pôle négatif, que la cellule fonctionne en charge ou en décharge. Mais le lithium est l'anode en fonctionnement normal, et il devient cathode en recharge. Malgré tout, il reste toujours le pôle négatif. Ce signe "moins"peut être imprimé sur la plaque de lithium
De même, le cobalt est la cathode en fonctionnement normal, et devient anode en recharge. Malgré tout, il est toujours le pôle plus. Ce signe "plus" peut être imprimé sur la plaque de cobalt-lithium

[donkey-king]

Bonjour,

"Autre phrase discutable : "En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et gagnent des électrons". Ce ne sont pas les ions lithium qui captent les électrons. Mais ce sont les atomes de cobalt."
Mais alors que font les atomes de lithium ?

Au niveau des batteries li-po ma phrase est valide non ?
"En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et gagnent des électrons.
En phase de charge les ions lithium arrivent à la surface de l’électrode négative (qui fonctionne maintenant en cathode) et absorbent des électrons."

Alors je ne comprends pas, car cela veut dire que les ions lithium ne lâchent jamais d’électrons ? Ne serrait-ce pas "En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et perdent des électrons." ?

Merci

[donkey-king]

UP SVP !

Merci

[moco]

Je vais répondre d'abord à la question suivante, que tu poses, et que je recopie ici en italique:

"Autre phrase discutable : "En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et gagnent des électrons". Ce ne sont pas les ions lithium qui captent les électrons. Mais ce sont les atomes de cobalt."
Mais alors que font les atomes de lithium ?

Dans la phase décharge, les ions lithium arrivent à la cathode de LiCoO₂ et s'y incorporent, mais ils ne s'y déchargent pas. C'est le cobalt qui se décharge. Si aucun ion positif n'arrivait à la cathode, le matériau de cette cathode se chargerait négativement (à la suite de l'arrivée des électrons du circuit extérieur) et aurait la formule ionique LiCoO₂^-. Cet ion n'existe pas. Mais s'il existait, il attirerait les ions Lithium Li⁺ qui ont été formés en solution à l'anode, et qui sont excès en solution. De toute façon, la solution doit rester neutre, et doit se débarrasser de ces ions Li⁺ en solution. Mais ces ions Li⁺ dissous ne sont pas déchargés : ils neutralisent l'excès de charges négatives de la cathode, et forment Li₂CoO₂.

J'en viens maintenant à ta 2ème question, que je recopie en italique :

Alors je ne comprends pas, car cela veut dire que les ions lithium ne lâchent jamais d’électrons ? Ne serrait-ce pas "En phase d'utilisation les ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) et perdent des électrons." ?

Les ions lithium Li⁺ ne peuvent en aucun cas perdre des électrons. Ils ont une structure ressemblant à celle de l'Hélium. Ils ressemblent à un gaz rare. Ilsne peuvent donc pas perdre d'électerons. Le métal lithium Li peut perdre des électrons, et c'est ce qui se passe à l'anode (pôle négatif) de la cellule. mais les ions Li⁺ ne peuvent pas perdre des électrons. Ils peuvent par contre en gagner dans le fonctionnement recharge.

OK ?

[donkey-king]

Ok merci, ce que vous dites avec le cobalt c'est pour une batterie li-ion ?

Sinon ça c'est bon ?

"En phase de charge, les électrons sont arrachés (réaction d’oxydation sur l'anode) aux atomes de lithium et vont de l'électrode positive (anode) à l'électrode négative (cathode) par le circuit externe. Les atomes de lithium ont perdu un électron, ils sont donc devenus des ions et migrent vers l'électrode négative (cathode) par le circuit intérieur de la batterie. Lorsque ces ions lithium arrivent à la surface de l’électrode négative (cathode) ils gagnent un électron (réaction de réduction sur la cathode) et redeviennent des atomes."

Merci

[donkey-king]

UP SVP !

Merci !

[donkey-king]

UP !

Merci

[moco]

Non, ce n'est pas correct. Je reprends ton texte, que je cite en entier d'abord, et en italique.

"En phase de charge, les électrons sont arrachés (réaction d’oxydation sur l'anode) aux atomes de lithium et vont de l'électrode positive (anode) à l'électrode négative (cathode) par le circuit externe. Les atomes de lithium ont perdu un électron, ils sont donc devenus des ions et migrent vers l'électrode négative (cathode) par le circuit intérieur de la batterie. Lorsque ces ions lithium arrivent à la surface de l’électrode négative (cathode) ils gagnent un électron (réaction de réduction sur la cathode) et redeviennent des atomes."

J'ai souligné les erreurs. Voici ce qu'il faudrait écrire.

"En phase de charge, les électrons sont arrachés (réaction d’oxydation sur l'anode) aux atomes de cobalt et vont de l'électrode positive (anode) à l'électrode négative (cathode) par le circuit externe. D'autre part, des ions Li⁺ sont émis à l'anode Li₂CoO₂, et passent en solution. Les ions Li⁺ migrent vers l'électrode négative (cathode) par le circuit intérieur de la batterie. Lorsque ces ions lithium arrivent à la surface de l’électrode négative (cathode) ils gagnent un électron (réaction de réduction sur la cathode) et redeviennent des atomes."

Merci

[donkey-king]

Bonjour,

Merci de votre réponse !

Pour ceci c'est bon ?


"En phase d'utilisation*, les électrons sont arrachés aux atomes de lithium (réaction d'oxydation sur l'anode) et vont de l'électrode négative (anode) à l'électrode positive (cathode) par le circuit externe : cela crée un courant qui alimente notre moteur par exemple. Les atomes de lithium ont perdu un électrons, ils sont donc devenus des ions et migrent vers l'électrode positive (cathode) par le circuit intérieur de la batterie. Lorsque ces ions lithium arrivent à la surface de l'électrode positive (cathode) ils gagnent un électron (réaction de réduction sur la cathode) et redeviennent des atomes."


Dernière chose sur l'anode par exemple il se produit une réaction d'oxydation (émission d’électrons) mais qui fait cette émission d’électrons, les ions lithium ? Le matériau de l'anode ?

Merci

[moco]

Je vais arrêter de t'écrire. Car tu ne lis pas mes messages. Ton niveau texte reprend les mêmes erreurs que le précédent que je m'étais acharné à te corriger. En période de charge, il y a une électrode (la cathode - pôle moins) où se produit la réduction des ions Li+ en Li. Et il y a une autre électrode (l'anode, pôle plus) où le lithium ne change pas de degré d'oxydation, mais c'est le cobalt qui est oxydé. Le cobalt. Je répète, le cobalt. Pas le lithium ! On arrache des électrons aux atomes de Cobalt. Cobalt !!

[donkey-king]

D'accord j'ai compris mais alors à quoi sert le lithium ?

Merci

[moco]

Si on détruit des ions positifs (lithium Li+) sur le pôle négatif pendant la charge, il faut bien en créer d'autres ailleurs. Car la solution doit rester globalement neutre, au niveau des charges électriques. Si on n'en crée pas ailleurs, la solution perd des ions positifs et elle se charge négativement. L'opération de recharge s'arrêterait d'elle-même.

Quand on va recharger la cellule, on dispose de Li2CoO2 formé de 2 ions Li+, d'un ion Co2+ et de 4 ions O2-. Au niveau des charges, c'est neutre, donc parfait. Si on recharge, on arrache un électron au cobalt qui devient donc chargé 3+. L'ensemble Li2CoO2 n'est pas stable, car il contient 5 charges positives et 4 charges négatives. Il doit perdre une charge positive. Il lâche donc un des ions lithium qui passe en solution, et va être attiré par l'autre électrode, faite de charbon. A la fin le pôle positif contiendra LiCoO2.