Limite theorique de la capacité d'une batterie

[invitef512b969]

Bonjour,

En me perdant dans mes pensée, je me disais que si disposait de batterie dont la taille et le poid serait negligeable,
On pourrait deja,avec les technologies actuel faire des chose extraordinaire...

Ce qui m'amenne a cette question,

Existe-t-il une limite theorique a la capacitée d'une batterie?

L'a ton deja attient?
(il semble que la capacité des batteries plafonne depuis un moment non?)

Parce que j'imagine que ben.. Si chaque atome dans une batterie est porteur d'une charge... Il est impossible de faire mieux... La capacité maximal est atteinte..

Et donc finalement, est-il stupide d'imaginer qu'un jour on mette au point une tel batterie?
Qui serait probablement extremement dangereuse avec une tel densité d'energie,
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[obi76]

Bonjour,

la limite pour le moment est financière. Tant que l'on continuera a spéculer sans aucun controle sur des matières premières qui pourraient être prometteuse, on n'avancera pas...



Concernant la dangerosité, pour le moment avec l'essence on est à une densité énergétique (en J/kg) nettement supérieure aux batteries actuelles. Il faut aussi savoir qu'une voiture électrique a un rendement très très bon, un moteur thermique plafonne au plus à 33%...

[Tiluc40]

Bonjour,

Je suis un peu surpris par ta réponse, obi76. Le paramètre financier intervient pour une commercialisation, mais la limite théorique d'une batterie peut être définie par des élements bien "physiques".

Pour définir la capacité maximale d'une batterie électrochimique, on peut parler de capacité massique et volumique des éléments actifs, car ce sont 2 paramètres à prendre en compte dans les applications industrielles. Puis on n'oublie pas que pour fonctionner, il faut rajouter des éléments qui n'apportent pas d'énergie : un électrolyte, des éléments métalliques (corps de la batterie, conducteurs électriques), et parfois d'autres éléments en fonction des applications. Ceci moyenne bien évidemment à la baisse la capacité théorique massique/volumique calculée en prenant seulement les éléments actifs.

Il faut également définir l'utilisation : la batterie doit-elle être rechargeable ou non, et quelle est la baisse de capacité en fonction du nombre de cycles de recharge. On peut faire des système one-shot à très forte capacité, des systèmes rechargeables 5 fois ou des systèmes rechargeables 500 fois. En général, il faut faire des compromis performances/durabilité dans le choix des matériaux.

La capacité stockée, c'est une chose, la capacité restituée en est une autre. Il faut que le transfert d'électron se fasse bien, ce qui peut nécessiter une mise en oeuvre des éléments actifs (mélange avec d'autres matériaux). Il y a aussi des pertes (effet joule, fuites de matière électrochimique, court-circuits interne...)

Enfin, niveau danger, en augmentant l'énergie, on peut effectivement augmenter la dangerosité. Un des risques, c'est que la cathode vienne au contact de l'anode, et là la réaction électrochimique peut s'emballer.

Niveaux éléments d'anode par exemple, le lithium pur a une bonne capacité massique, vu sa faible masse, mais il ne se met pas facilement en oeuvre tout seul. Je pense qu'on doit trouver dans les bons bouquins sur les batteries quelques éléments de réponse sur les capacités massiques des éléments purs, puis sur les capacités massiques des matériaux à base de ces éléments.

[obi76]

Ben disons que les batteries lithium avaient une capacité énergétique absolument gigantesque, et que l'on est obligé (pour le moment) sde se satisfaire de batteries polymères, moins bonnne et plus expérimentales, parce que le prix du lithium a explosé...

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite6dffde4c]

Bonjour.
La question portait sur la limité théorique, qui n'a rien à voir avec ce que l'on peut faire en pratique.
Cette limite est l'énergie de dissociation/combinaison de la molécule formée divisée par la masse de la molécule.
On n'est pas près de s'en approcher.
Au revoir.

[obi76]

Certes, désolé pour le HS...

[invite6dffde4c]

Re.
Je viens de faire un calcul à la louche pour une batterie hydrogène-oxygène et ça donnerait (si je ne me suis pas planté) quelque chose comme 1600 A-H/kg à 1,5 V.
A+

[Amanuensis]

An poussant loin, Li/Li+ à -3.04 V, et HF/(1/2H+F2) à +3.05 V, ça fait 6.09 eV par électron, A fois plus par mole, pour 28 g la mole de réactif.

Soit 1.6 10^-19 x 6 10^23 x 6.09 /28 = 20.8 kJ/g

À comparer à (CH2) + 3/2 O2, qui fait 45 kJ par g de carbure, soit 11.6 kJ/g de réactifs (thermique), ou H2+1/2O2 à 13.3 kJ/g de réactifs (thermique)

Une batterie à air aurait une capacité massique meilleure parce qu'on ne compterait pas un des réactifs.

[invite6dffde4c]

...
Soit 1.6 10^-19 x 6 10^23 x 6.09 /28 = 20.8 kJ/g
...

Re.
Ce qui fait 950 A-H/kg.
A+

[Amanuensis]

Bizarre... L'ordre n'est plus le même, et les deux couples font une ddp de 6 v, facteur 4 au-dessus de 1.5V, suffisant pour compenser le surplus de masse du lithium ??? (H+1/2O, 9 grammes, Li + HF, 27 g, soit un facteur 3... Soit d'un côté 6 moles d'eV pour 27 grammes contre 1.5 moles d'eV pour 9 grammes)

Pas le temps de faire les conversions en non SI pour comprendre...

PS : mon 28 était faux, 7 + 1 + 19 = 27...

[Amanuensis]

J'avais oublié les volts...

1 mole d'électrons = 6.02 10^23 x 1.61 10^-19 C = 97 kC = 27 Ah

Pour H+1/2 O, 27 Ah pour 9 g = 3 Ah/g, sous 1.5 V, 4.5 VAh/g

Pour Li+FH, 27 Ah pour 27 g = 1 Ah/g, sous 6 V, 6 VAh/g

[Tiluc40]

Bonsoir,

Manque quand même l'électrolyte, non? ... qui doit supporter 6V sans se décomposer par électrolyse en plus... Pas gagné...

[Amanuensis]

Bonsoir,

Manque quand même l'électrolyte, non? ... qui doit supporter 6V sans se décomposer par électrolyse en plus... Pas gagné...

Certes... Cela ne donne qu'une idée de la borne supérieure.

Que proposez-vous de plus réaliste ?

[Tiluc40]

Bonjour,

Le Handbook of batteries 3rd edition (2004) mentionne une densité d'énergie pratique de 25 à 35% de la densité théorique d'énergie dans des conditions optimales de décharge, lorsqu'on tient compte du poids des matériaux complémentaires ("rendement" ~50%) et de la décharge (50 à 75%). On doit pouvoir améliorer en fonction des systèmes électrochimiques (voir Li-Ion plus bas).

Coté système électrochimique :Prendre les extrêmes Li/HF, je ne sais pas s'il y a une solution pour l'électrolyte. Il y a quelques groupes qui publient des travaux visant à augmenter la tension que peut supporter un électrolyte, qui parlent de charge sous 6V, mais je n'ai pas regardé en détail. Après, il faut aussi vérifier les compatibilités chimiques et la conductivité de l'électrolyte sous peine de dégrader fortement voire totalement les performances.

Quelques données sont disponibles dans le Handbook pour comparer les systèmes et les écarts actuels théorique/pratique. Les valeurs théoriques ne tiennent compte que des éléments actifs :

Piles jetables :
Plus forte densité d'énergie théorique : Li/(CF)n 2189Wh/kg pour 3.5V (En pratique : 250 Wh/kg pour 3V outch! ya de la perte)
Autre système : Li/SOCl2 : 1471Wh/kg pour 3.65V (En pratique : 590 Wh/kg pour 3.6V on part de moins haut, mais on perd moins lors de la mise en oeuvre)

Piles rechargeables :
Li/MnO2 1001Wh/kg pour 3.5V (En pratique : 120 Wh/kg pour 3V)
Li-Ion LixC6/Li(1-x)CoO2 : 410Wh/kg pour 4.1V (En pratique : 400 Wh/kg pour 4.1V. La conversion semble bien mieux que la restriction mentionnée dans le 1^er paragraphe. C'est peut-être pour ça que ces batteries sont partout)

On voit qu'il ne faut pas forcément partir de la densité théorique maximale pour arriver au meilleur résultat. La conversion joue beaucoup sur les performances.

Piles à combustible :
H2/O2 pour la densité d'énergie (3660Wh/kg théorique pour 1.23V), voire H2 tout court en prenant l'oxygène de l'air si disponible (32702Wh/kg pour 1.23V). Mais le handbook ne donne aucune données pratiques pour ces systèmes. Après, il y a une version plus récente (4ième édition), que je n'ai pas sous la main. Peut-être qu'on y acte de nouveaux progrès. On a beaucoup travaillé sur les piles à combustible depuis 2004.

[Tiluc40]

On a beaucoup travaillé sur les piles à combustible depuis 2004.

Et sur les systèmes Li-Ion

[invite6dffde4c]

Bonjour.
On n'a pas attendu 2004 pour travailler sur les piles à combustible. Rappelez-vous Apollo 13: c'est précisément la pile à combustible qui explosa.
Et si vous saviez comment la recherche sur le sujet a été relancée avec le premier choc pétrolier (1973) !
En on en pense encore: à partir du liquide pour briquets et de l'oxygène de l'air, par exemple.
Au revoir.

[Tiluc40]

Bien sûr. Je mentionne juste que ces données sont un état de l'art d'avant 2004, date de publication du Handbook. Pas que les recherches ont commencé en 2004. Et on a continué à travailler sur le sujet, ce qui peut laisser espérer des améliorations.

[invitef512b969]

J'avais oublié les volts...

1 mole d'électrons = 6.02 10^23 x 1.61 10^-19 C = 97 kC = 27 Ah

Pour H+1/2 O, 27 Ah pour 9 g = 3 Ah/g, sous 1.5 V, 4.5 VAh/g

Pour Li+FH, 27 Ah pour 27 g = 1 Ah/g, sous 6 V, 6 VAh/g

Merci pour vos réponses,

Donc si je prend deux exemples une batterie de voiture 'électrique' une batterie de telephone portable,
(j'utilise Li+Fh dans ton calcul)

Batterie de telephone protable:
3,7V/1000 maH
->3,7Vah donc 0,61g

Batterie d'une voiture électrique:
30Kwh / 0,006VAh/g -> 5kg

Donc les 'limites théorique' permettent des batteries de poids négligeable,
Qu'en pensez-vous?

[invitef512b969]

Donc les 'limites théorique' n'interdisent pas des batteries dont le poids serait négligeable (comparé a leur capacité)
Qu'en pensez-vous?

(désolé de réécrire la fin de mon message mais je ne suis pas arrivé a éditer..)

[Amanuensis]

Donc les 'limites théorique' n'interdisent pas des batteries dont le poids serait négligeable (comparé a leur capacité)

Il peut y avoir d'autres limites théoriques que le simple calcul de l'énergie potentielle des réactifs.