Le lithium est un métal mou, argenté et très réactif. Il est le moins dense de tous les métaux solides et a le plus faible point de fusion parmi les métaux alcalins. Le lithium réagit rapidement avec l'eau pour former de l'hydroxyde de lithium et de l'hydrogène gazeux. Utilisations :

• Batteries. - Le lithium est largement utilisé dans la fabrication de batteries rechargeables au lithium-ion (V. plus bas), qui alimentent une variété d'appareils électroniques tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques et les véhicules électriques.

• Médecine. - Le carbonate de lithium est utilisé dans le traitement des troubles bipolaires pour stabiliser l'humeur des patients.

• Lubrifiants. - Certains composés de lithium sont utilisés comme lubrifiants dans les graisses et les huiles, en raison de leur capacité à former des films protecteurs sur les surfaces métalliques.

• Industrie nucléaire. - Le lithium est utilisé dans certaines applications de fusion nucléaire et dans la production de tritium, un isotope radioactif de l'hydrogène.

• La spodumène. - La spodumène est le minerai de lithium le plus courant et le plus important sur le plan commercial. Il s'agit d'un minéral de silicate de lithium et d'aluminium, peut être dans des gisements de pegmatite. La spodumène est généralement exploitée à ciel ouvert, puis broyée et traitée pour extraire le lithium.

• Le pétalite. - La pétalite est un autre minéral de silicate de lithium, qui est parfois exploité pour obtenir du lithium. Bien que moins courant que la spodumène, la pétalite est une source importante de lithium dans certains gisements.

• Le spodumène. - Le spodumène est un minéral de phosphate de lithium et de fer, qui peut également être exploité pour obtenir du lithium. Il est souvent trouvé dans des gisements associés à des minéraux de phosphate, tels que la phosphalite et l'amblygonite.

Les principaux composés du lithium. 
Les principaux composés du lithium sont largement utilisés dans diverses applications industrielles, médicales et chimiques. Voici quelques-uns des composés les plus courants du lithium :

• Carbonate de lithium (Li2CO3). - Le carbonate de lithium est l'un des composés les plus importants du lithium. Il est largement utilisé dans l'industrie des batteries, en particulier dans la fabrication de batteries lithium-ion. Il est également utilisé dans la production de verre et de céramique, ainsi que dans certains médicaments psychiatriques pour traiter les troubles bipolaires.

• Hydroxyde de lithium (LiOH). - L'hydroxyde de lithium est un composé chimique utilisé dans la production de batteries lithium-ion, de graisses et de lubrifiants, ainsi que dans la synthèse de certains produits chimiques organiques. Il est également utilisé dans l'industrie nucléaire pour la production de tritium.

• Chlorure de lithium (LiCl). - Le chlorure de lithium est utilisé comme dessiccant dans certaines applications de séchage, dans la production de batteries et dans la synthèse de certains composés organiques. Il est également utilisé dans les systèmes de climatisation pour contrôler l'humidité de l'air.

• Fluorure de lithium (LiF). - Le fluorure de lithium est souvent utilisé comme additif dans les verres et les céramiques pour améliorer leurs propriétés optiques et mécaniques. Il est également utilisé dans la production de batteries et dans certains processus de fabrication de métaux.

• Bromure de lithium (LiBr). - Le bromure de lithium est largement utilisé comme agent de réfrigération dans les systèmes de climatisation et de refroidissement. Il est également utilisé comme dessiccant et dans certains procédés chimiques.

• Iodure de lithium (LiI) : L'iodure de lithium est utilisé dans les réactions de synthèse organique et comme matériau de transfert de chaleur dans certains systèmes de refroidissement.

La cellule est composée de quatre éléments principaux : une électrode positive (cathode), une électrode négative (anode), un électrolyte liquide ou gélifié, et un séparateur poreux qui isole électriquement les deux électrodes tout en laissant passer les ions. La cathode est généralement constituée d'un oxyde métallique lithié, comme l'oxyde de cobalt lithié (LiCoO2), le phosphate de fer lithié (LiFePO4), ou des combinaisons comme le NMC (nickel-manganèse-cobalt). L'anode, elle, est le plus souvent en graphite, un matériau carboné capable d'intercaler des ions lithium entre ses couches atomiques.

Lors de la charge, un courant électrique externe force les ions lithium à quitter la structure cristalline de la cathode. Ces ions traversent l'électrolyte et le séparateur pour venir s'insérer, ou s'intercaler, entre les feuillets de graphite de l'anode. Simultanément, les électrons correspondants sont poussés par le chargeur à travers le circuit externe, puisqu'ils ne peuvent pas traverser l'électrolyte qui est un isolant électronique. Cette double migration, ions d'un côté par l'intérieur de la cellule, électrons de l'autre par le circuit extérieur, doit rester équilibrée pour préserver la neutralité électrique des deux électrodes.

Lors de la décharge, c'est-à-dire lorsque la batterie alimente un appareil, le phénomène s'inverse spontanément. Les ions lithium quittent l'anode de graphite et migrent à travers l'électrolyte vers la cathode, où ils se réinsèrent dans la structure de l'oxyde métallique. Ce mouvement est thermodynamiquement favorable, ce qui signifie qu'il libère de l'énergie. Les électrons, contraints de suivre le circuit externe pour rejoindre la cathode, traversent alors l'appareil électrique et lui fournissent l'énergie nécessaire à son fonctionnement.

La tension délivrée par la cellule dépend de la différence de potentiel chimique entre les deux matériaux d'électrode : plus cette différence est grande, plus la tension nominale est élevée. Une cellule lithium-ion classique délivre une tension nominale d'environ 3,6 à 3,7 volts, ce qui est nettement supérieur aux batteries nickel-cadmium ou nickel-métal hydrure.

L'électrolyte joue un rôle essentiel puisqu'il doit permettre une conduction ionique efficace tout en étant un isolant pour les électrons. Il s'agit généralement d'un sel de lithium, comme l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), dissous dans un mélange de solvants organiques carbonatés. Au contact des électrodes, une fine couche de passivation se forme spontanément dès les premiers cycles, appelée SEI (solid electrolyte interphase). Cette couche est cruciale : elle protège l'électrolyte d'une décomposition continue tout en restant perméable aux ions lithium.

L'électrochimie d'une batterie lithium-ion repose sur deux réactions d'oxydoréduction couplées, chacune se déroulant à une électrode, et reliées par le transfert d'ions lithium à travers l'électrolyte ainsi que par le transfert d'électrons à travers le circuit externe. Ces deux réactions ne peuvent se produire l'une sans l'autre : c'est ce couplage obligatoire qui définit une pile électrochimique.

Prenons l'exemple classique d'une cathode en oxyde de cobalt lithié et d'une anode en graphite. À la cathode, la réaction s'écrit globalement :

LiCoO2  Li(1-x)CoO2 + xLi⁺ + xe^-. 

À l'anode, la réaction s'écrit :

C6 + xLi⁺ + xe^-  LixC6. 

Lors de la décharge, l'oxydation a lieu à l'anode : le lithium intercalé dans le graphite s'ionise, libérant un électron et un cation Li+. Lors de la charge, c'est l'inverse qui se produit à cette même électrode, qui devient alors le siège d'une réduction. Il faut noter que la terminologie anode/cathode en usage courant pour les batteries suit la convention de la décharge, ce qui explique pourquoi l'électrode de graphite est appelée anode même si elle joue le rôle de cathode pendant la charge.

Le potentiel de chaque électrode est déterminé par le potentiel chimique du lithium dans le matériau d'insertion considéré, c'est-à-dire par l'énergie libre associée à l'intercalation d'un ion lithium supplémentaire dans la structure cristalline. Ce potentiel dépend du taux d'occupation des sites d'insertion, ce qui explique pourquoi la tension d'une cellule varie en fonction de l'état de charge plutôt que de rester constante. Dans les matériaux comme le LiFePO4, une transition de phase biphasique entre une phase riche en lithium et une phase pauvre en lithium se traduit par un plateau de tension quasiment plat, alors que des matériaux à solution solide comme le NMC présentent une variation plus continue de la tension avec l'état de charge.

La force motrice thermodynamique globale de la réaction est donnée par la variation d'enthalpie libre de Gibbs, ΔG = -nFE, où n est le nombre de moles d'électrons échangés, F la constante de Faraday, et E la différence de potentiel entre les deux électrodes. Cette relation montre que la tension de la cellule est directement l'expression électrochimique de la différence de potentiel chimique du lithium entre la cathode et l'anode, une différence qui reflète elle-même la différence d'affinité structurale des deux matériaux pour l'insertion du lithium.

Au-delà de la thermodynamique, la cinétique électrochimique conditionne les performances réelles de la batterie. Trois phénomènes limitent la vitesse à laquelle la réaction peut se dérouler sans perte excessive d'énergie sous forme de chaleur. Le premier est le transfert de charge à l'interface électrode-électrolyte, décrit par l'équation de Butler-Volmer, qui relie le courant net à la surtension appliquée par rapport au potentiel d'équilibre; plus la surtension nécessaire pour maintenir un courant donné est faible, plus la cinétique de l'électrode est favorable. Le deuxième est la diffusion du lithium à l'état solide à l'intérieur des particules d'électrode, un processus souvent limitant puisque le coefficient de diffusion du lithium dans le graphite ou dans les oxydes lithiés reste relativement faible, ce qui explique pourquoi les électrodes sont fabriquées sous forme de particules de petite taille pour raccourcir les distances de diffusion. Le troisième est le transport ionique dans la phase liquide de l'électrolyte, gouverné par la conductivité ionique du sel dissous et par le nombre de transport du lithium, c'est-à-dire la fraction du courant ionique effectivement portée par les cations Li+ plutôt que par les anions du sel.

La formation de l'interphase solide électrolyte, la SEI, constitue un phénomène électrochimique à part entière. Elle résulte de la réduction irréversible des solvants organiques de l'électrolyte au potentiel très négatif de l'anode de graphite, potentiel situé en dehors de la fenêtre de stabilité électrochimique de l'électrolyte. Cette réduction consomme des électrons et des ions lithium pour former des produits de décomposition insolubles, principalement des carbonates de lithium et des composés organiques, qui précipitent à la surface du graphite. Une fois formée, cette couche présente une conductivité ionique suffisante pour laisser passer le Li⁺ tout en étant électriquement isolante, ce qui bloque la réduction continue du solvant et stabilise le système, moyennant une perte initiale et irréversible de capacité correspondant au lithium consommé.

L'électrolyte lui-même doit satisfaire une contrainte électrochimique stricte : sa fenêtre de stabilité, c'est-à-dire l'intervalle de potentiel dans lequel il n'est ni oxydé ni réduit, doit englober les potentiels de fonctionnement des deux électrodes. Or le potentiel de l'anode de graphite lithiée est proche de celui du lithium métallique, très en dehors de la fenêtre de stabilité thermodynamique des solvants carbonatés utilisés. C'est précisément la formation cinétiquement contrôlée de la SEI, agissant comme barrière passivante, qui permet à l'électrolyte de fonctionner en pratique malgré cette instabilité thermodynamique intrinsèque.

Enfin, la résistance interne globale de la cellule, mesurable par spectroscopie d'impédance électrochimique, se décompose en plusieurs contributions distinctes : la résistance ohmique de l'électrolyte et des collecteurs de courant, la résistance de transfert de charge aux deux interfaces électrode-électrolyte, la résistance associée à la diffusion du lithium dans les particules solides, représentée par une impédance de Warburg à basse fréquence, et la résistance de la couche de SEI elle-même. L'évolution de ces différentes contributions au cours du vieillissement de la batterie constitue l'un des principaux outils de diagnostic utilisés pour comprendre les mécanismes de dégradation électrochimique.

La sécurité constitue un enjeu central du fonctionnement de ces batteries. Une surcharge, une température excessive, ou un dommage physique du séparateur peuvent entraîner un emballement thermique : une réaction exothermique auto-entretenue où la chaleur générée accélère la décomposition chimique de l'électrolyte et des électrodes, produisant encore plus de chaleur. C'est pourquoi chaque batterie lithium-ion moderne est associée à un système de gestion électronique (BMS, battery management system) qui surveille la tension, le courant et la température de chaque cellule, coupant le circuit en cas de dépassement des seuils de sécurité.

La capacité totale de la batterie, exprimée en ampères-heures, dépend de la quantité de matériau actif disponible dans les électrodes et de la quantité de lithium qui peut effectivement migrer de manière réversible entre les deux structures cristallines sans les endommager.