Batterie: la révolution Lithium-Air n'aura (peut-être) pas lieu...

[Christophe]

Petites analyses sur les performances de la très attendue batterie Lithium Air...une révolution qui n'aura peut être pas lieu...car sa puissance spécifique est extrêmement faible pas rapport aux meilleures batteries actuelles: jusqu'à 800 fois moins!

La source unique des chiffres est Wikipédia. Si vous en trouvez d'autres, postez les ici et on corrigera.

Tiré de: transports-electriques/batterie-toshiba-scib-rechargee-en-6-minutes-a-500kw-t15395.html

Li-air-charge-discharge.jpg (281.19 Kio) Consulté 5179 fois

A propos des batteries Lithium Air, nous avons:

a) une énergie massique qui peut concurrencer voir dépasser les carburants liquides, tous rendements corrigés, donc excellente!

En théorie, les batteries lithium-air savent stocker 3,5 kW.h/kg. Cependant en raison des contraintes technologiques (substrat, isolation de la batterie...), la densité énergétique réelle sera très probablement plus faible. La densité de 1,7 kW.h/kg fournie aux roues peut toutefois être envisagée en raison d'un meilleur rendement des moteurs électriques par rapport aux moteurs thermiques

Source: https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_lithium-air

b) une puissance massique (et volumique) très faible par rapport aux batterie Lithium actuelles

faible puissance spécifique (200 W/kg - 500 W/L)

Source: https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulat ... ithium-air

En comparaison, certaines Lipo actuelles (les meilleures) peuvent fournir jusqu'à 95 fois leur capacité nominale en courant de pointe!

Une Lipo actuelle qui est aux alentours de 0.2 kWh/kg...peut donc fournir une puissance à 95C de 19 kW/kg!!

C'est vraiment énorme et c'est 19/0.2 = 95 fois ce que peut fournir une Lithium Air !! Et 5 kg de batterie peuvent donc fournir, en pointe, pas loin de 100 kW!

Mais ok à ces niveaux là de courant de décharge, ça chauffe énormément et les batteries ne durent pas très longtemps (200 à 300 cycles max) quand elles n'explosent pas avant...mais tout de même...

Une lipo qui ne travaillerait qu'en 5C (on en trouve pas en dessous de 15C sur la marché) ce qui est très raisonnable fournirait une puissance de 0.2*5 = 1 kW/kg...C'est encore 5 fois plus qu'une Lithium Air au niveau de la puissance massique

Cela veut dire qu'on ne pourra pas tirer beaucoup de puissance par kg de batterie lithium air: elles seront donc réservée...à des installations de faibles puissances ou...statiques, ce qui finalement annule tout le bénéfice d'une intéressante énergie massique

Et pour finir le calcul comparatif, une Lithium Air peut travailler à 200/1700 = 0.12 C...c'est 800 fois moins qu'une Lipo 95C...

Après la recherche avance...mais tout de même...la révolution Lithium Air n'aura peut être pas lieu de si tôt...

[Christophe]

Cet article de 2009 n'évoque pas du tout le problème de la puissance massique: https://www.usinenouvelle.com/article/l ... te.N120192

[Gaston]

On pourrait imaginer des batteries "mixtes" associant une (grosse) lithium-air à une (moyenne) Lithium-ion voire à quelques supercondensateurs.

L'ensemble pouvant fournir une grande puissance pendant un temps limité et une puissance modeste le reste du temps.

Une voiture électrique "moyenne" nécessite une puissance de 20kW pour rouler à 110km/h sur autoroute.
Mais elle a besoin de 50kW pour monter les côtes (pendant quelques minutes) et de 100kW pour démarrer comme un kéké au péage (pendant moins d'une minute)

Une batterie Lithium-air de 150 kg (255 kWh quand même) pourrait fournir 30 kW en continu, de quoi maintenir en charge une batterie Li-ion de 50 kg (10kWh : à peu près ce qu'on trouve dans les hybrides rechargeables actuelles) qui assurerait les accélérations.

[Christophe]

On pourrait imaginer des batteries "mixtes" associant une (grosse) lithium-air à une (moyenne) Lithium-ion voire à quelques supercondensateurs.

Oui j'y pensais justement en écrivant le message ci-dessus: faire des batteries "hybrides" finalement où chaque batterie serait utilisée suivant la demande en puissance/énergie...bref prendre le meilleur de chaque technologie pour en faire une batterie globale ultra performante autant en puissance qu'en énergie...

C'est une bonne idée et les constructeurs de VE "sérieux" doivent être déjà dessus (sinon euh bin c'est que ce sont des gros nazes...pardon du peu )...

Et avec 250 kWh embarqué en Li-Air (soit de quoi faire plus de 1000km...) soit la batterie "d'énergie", on peut facilement imaginer que cette batterie rechargerait doucement une Lithium-ion "de puissance" à l'arrêt de la voiture (pour ne pas avoir à charger globalement trop souvent...)

[Gaston]

Et avec 250 kWh embarqué en Li-Air (soit de quoi faire plus de 1000km...) soit la batterie "d'énergie", on peut facilement imaginer que cette batterie rechargerait doucement une Lithium-ion "de puissance" à l'arrêt de la voiture (pour ne pas avoir à charger globalement trop souvent...)

Elle peut même la recharger en roulant chaque fois que la puissance nécessaire pour avancer est inférieure à celle qu'elle peut fournir.

[Christophe]

Euh oui c'est envisageable mais c'est quand même mieux à l'arrêt avec une décharge-charge mieux contrôlée...et plus stable...

[enerc]

Pour avoir un peu joué avec les batteries zinc/air, le point faible c'est la cathode. La réaction 1/2 O2 + H2O + 2e− → 2OH− est très lente. Et dès qu'on tire du courant, la tension chute.
Ok il n'y a pas d'eau pour le lithium air (sinon boum!), mais il faut prendre l'oxygène dans l'air.

Je me lance dans le calcul du volume d'air pour une puissance de 100 kW avec une tension de cellule de 4V:

100 * 1000 (Watt) / 4 (Volts) / 96500 (Coulomb -> mole) / 2 (2 electrons) * 22,4 (litre/mole) / 0,21 (ratio O2/air) = 13,8 litres / seconde!

Et c'est en fait beaucoup plus vu qu'on ne peut pas prendre tout l'oxygène de l'air au niveau de la cathode.... Sinon la tension chute et le courant baisse.
Clairement, les techno métal/air sont plutôt pour les fortes capacité / faible courant.

[Christophe]

Peux tu svp nous détailler le calcul du volume d'air nécessaire?

[enerc]

Peux tu svp nous détailler le calcul du volume d'air nécessaire?

100 kW sous 4V, c'est 25 000 A (c'est probablement 250A sous 400 V, mais ça ne change pas le calcul).

1 A, c'est 1 Coulomb par seconde.
Une mole c'est 96500 Coulomb.

Les 25 000A nécessitent 0,26 mole par seconde. (25 000 / 96500)
Une mole d'oxygène, c'est 22,4 litres à la pression normale. Mais il n'y a que 21% d'oxygène dans l'air.
Il faut donc 22,4/0,21 = 106 litres d'air pour avoir une mole d'oxygène.

Les 25 000A nécessitent donc 0,26*106=27,6 litres d'air par seconde.
Mais l'oxygène prend 2 électrons dans la réaction, donc il faut diviser par 2, soit 13,8 litres par seconde.

Coté surface, ce n'est pas mieux: on considère que 100 mA par cm2 de cathode est déjà une très bonne valeur.
Pour 25 000A, il faut donc 250 000 cm2 de cathode, soit 25 m2.
Et donc loger ces 25 m2 de cathode exposée à l'air dans le compartiment batteries....

[Christophe]

Merci pour les détails, je n'ai pas l'habitude de transformer des Ampères en Moles!

On peut en déduire que les batterie lithium-air devront être couplé avec de sacré soufflantes...et les filtres qui vont avec pour ne pas polluer la cathode!

Cela diminuera forcément l'efficacité globale de la batterie mais vu son potentiel cela sera encore intéressant!

Pour la surface cathodique exposée je pense que c'est solvable assez facilement non? Avec des fines fine couche on peut placer beaucoup de surface d'échange dans un assez faible volume...