Quelle est la voie technologique et les perspectives de la batterie lithium 500 wh kg ?
Progrès dans le développement de la batterie de 500 wh kg
En 2021, Enpower a annoncé une batterie à poche métallique au lithium d'une capacité de 520 Wh.
Bien que CATL ait présenté la batterie à matière condensée lors du salon de l'automobile de Shanghai en avril, affirmant que la densité énergétique de la cellule de la batterie peut atteindre 500 wh kg, d'autres ont été les premiers à réaliser la batterie de 500 wh kg. Enpower a développé avec succès une batterie lithium-métal de 520 Wh kg dès octobre 2021.
Grâce à la technologie de contrôle de l'interface de l'électrode lithium-métal et à la formule unique électrolyte/masse, la capacité est de 3,6 Ah, le poids est d'environ 26,5 g, la tension moyenne est de 3,85 V et la plage de tension de fonctionnement est de 3,0 à 4,3 V.
Amprius a annoncé une batterie à poche à base de silicium de 500 wh kg au début de 2023
Amprius a annoncé sa nouvelle batterie au lithium en mars 2023. Après avoir été testée par un laboratoire tiers, la densité énergétique a dépassé 500 wh par kg de batterie. À 30% SOC, la densité énergétique volumétrique atteint 1300wh/L.
Cette cellule utilise une anode à base de silicium, la tension de fonctionnement est comprise entre 2,4 et 4,37 V, et la cathode est également un ternaire à haute teneur en nickel. Cependant, en raison de sa faible tension (seulement 3,45 V), l'énergie spécifique d'une batterie de >500 wh kg doit être supérieure à 65% de la masse du matériau de la cathode.
Sa densité de surface positive est très élevée, ce qui se traduit par une faible performance en termes de taux, le taux de décharge est de 0,1C, et le taux de coupure de la charge n'est que de 0,01C. En outre, en raison de la petite taille de la cellule de la batterie et du rapport de masse élevé de la feuille de cuivre et de la feuille d'aluminium du collecteur de courant, il est probable que la technologie de la feuille de cuivre composite et de la feuille d'aluminium composite soit utilisée pour réduire le poids, de manière à mieux augmenter le rapport de masse du matériau actif de la cathode.
En avril 2023, le CATL a annoncé la batterie de matière condensée de 500 wh kg
CATL a présenté la batterie à matière condensée au salon de l'automobile de Shanghai en avril 2023, avec une densité énergétique maximale de 500wh/kg, combinant des électrolytes bioniques à état condensé de haute puissance, une cathode à haute énergie spécifique, une nouvelle anode, des séparateurs et des processus de production optimisés.
Au sens propre, le nouveau type d'anode et l'optimisation du processus de production, si l'on veut atteindre l'énergie spécifique de 500wh/kg, il est fort probable que l'on utilisera une anode en lithium métal. Les batteries à matière condensée, dites batterie lithium-polymèreLes batteries ternaires à haute teneur en nickel, qui doivent être utilisées pour les avions électriques, doivent être sûres avant tout, et la sécurité des batteries ternaires à haute teneur en nickel est préoccupante.
Pour atteindre la densité énergétique de 500 Wh/kg de batterie, outre la batterie ternaire à haute teneur en nickel, le cobaltate de lithium à haute tension et le manganèse riche en lithium à haute capacité sont également des options possibles. Les performances en matière de sécurité du premier peuvent être moins bonnes que celles du nickel élevé, et celles du second sont légèrement meilleures.
Grâce à une série d'analyses et de modifications effectuées par des experts, la capacité du premier gramme de décharge du matériau en manganèse riche en lithium a atteint 300mAh/g, la tension moyenne était d'environ 3,45V, et la capacité spécifique théorique du matériau a atteint 1035wh/kg.
Tant que le matériau de la cathode représente plus de 50%, la densité énergétique d'une batterie complète de 500 wh kg peut être atteinte. Bien que la densité des matériaux au manganèse riche en lithium soit légèrement inférieure à celle des matériaux ternaires, il est relativement facile d'atteindre un rapport de masse de 50%.
Valeur de recherche d'une batterie de 500 wh kg
La batterie de 500 wh kg doit être réalisée grâce à une optimisation extrême des matériaux et de la conception de la batterie.
En termes de matériaux, les matériaux actuels de la cathode des piles au lithium sont tous sous forme de Li+M+Oxyde : Premièrement, comme l'anode ne contient pas de lithium, il doit y avoir du lithium dans le matériau de la cathode. Deuxièmement, comme il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction, il doit y avoir un état de valence variable, et donc un métal de transition.
Le lithium et les métaux de transition sont tous deux positifs, et la valence des métaux de transition est relativement élevée, généralement autour de +3, de sorte qu'au moins 2 atomes d'O sont nécessaires. Ainsi, le matériau cathodique approprié doit être au moins LiMO2. Par conséquent, dans le cas d'un transfert maximal d'une mole de Li, la capacité en grammes du matériau en couches est la plus élevée, et c'est le premier choix pour les batteries à haute énergie spécifique.
À titre de comparaison, le matériau spinelle LiMn2O4 équivaut à transférer seulement 0,5 mole de lithium (Li0,5MnO2), et la capacité théorique est faible. Cependant, LiFePO4 augmente le poids de PO2, de sorte que la capacité spécifique théorique est également relativement faible. L'analyse précédente a montré que le LCO haute tension et le ternaire haute capacité à forte teneur en nickel dans le matériau en couches peuvent atteindre une densité énergétique de 500wh/kg.
Cependant, la sécurité de ces deux matériaux est très faible. La température de décomposition thermique et de libération d'oxygène sera inférieure à 150°C, et la température maximale d'emballement thermique peut atteindre plus de 800°C. Par conséquent, bien qu'une énergie spécifique élevée puisse être obtenue, une sécurité élevée ne peut être garantie, et de nouveaux systèmes de matériaux doivent être développés.
Les experts ont proposé que les éléments multi-électroniques et légers soient des axes importants pour les batteries lithium-ion afin d'atteindre une énergie spécifique élevée. Les matériaux à base de manganèse riche en lithium atteignent une capacité élevée grâce au transfert polyatomique et, en fait, nous pouvons également atteindre une capacité élevée en utilisant des éléments plus légers. La plus radicale de ces voies est la batterie lithium-air, c'est-à-dire la réaction de Li avec O2, mais sa réversibilité est particulièrement faible.
En résumé, même sans tenir compte de la valeur commerciale, la recherche et le développement d'une batterie de 500 wh kg ont une grande valeur académique. Elle peut continuellement repousser les limites des matériaux à haute capacité et améliorer les déficiences des matériaux par le biais de la recherche et du développement afin d'obtenir une énergie spécifique élevée, un faible coût et des systèmes de batterie très sûrs.
Perspectives d'application de la batterie de 500 wh kg
Grâce à la technologie CTP, l'autonomie des véhicules purement électriques a dépassé les 1000 km. Parmi eux, la version de la batterie Jikrypton 001 Kirin est prête à être livrée, avec une énergie de 140kwh et une autonomie de 1032km. L'énergie spécifique de la cellule de la batterie est de 285wh/kg, et la densité énergétique du pack de batterie est d'environ 205wh/kg.
On peut constater que l'énergie spécifique de la cellule de la batterie est inférieure à 300wh/kg, ce qui répond déjà aux exigences de l'autonomie des véhicules électriques sur des milliers de kilomètres. Pour les véhicules électriques, outre la durée de vie de la batterie, le coût et la sécurité sont plus importants pour les consommateurs. En d'autres termes, tant que les besoins de base sont satisfaits, l'autonomie de la batterie est suffisante.
Continuer à augmenter l'autonomie de la batterie sur cette base aura des effets marginaux décroissants et n'améliorera pas de manière significative l'expérience de l'utilisateur. Même si la batterie de 500 wh kg garantit une énergie spécifique élevée et une grande sécurité, il est difficile de trouver un équilibre entre le coût, la puissance, la durée de vie, etc.
Outre l'utilisation dans l'automobile, les produits électroniques 3C sont également des scénarios d'application très importants pour la batterie de 500 wh kg. Les petites piles à poche développées par des entreprises telles qu'Enpower et Amprius sont également plus proches des scénarios d'utilisation 3C. Cependant, la scène 3C en les 10 premiers fabricants de piles au lithium grand public 3C accorde plus d'attention à la densité énergétique volumique, de sorte que les perspectives des matériaux à base de silicium sont meilleures que celles du lithium métal.
En outre, les avions civils et militaires sont les scénarios d'application les plus appropriés pour les batteries de 500 wh kg, qui ne nécessitent pas un volume élevé par rapport à la capacité, mais des exigences élevées en matière de masse par rapport à l'énergie. En outre, les aéronefs civils habités (eVOLT) constituent également un marché important, y compris les voitures volantes.
Farasis a coopéré avec des fabricants d'avions électriques de renommée internationale dès 2021. Les produits de batterie pour l'eVTOL ont été produits en masse, avec des batteries de 285wh/kg. Le temps de vol est de 43 minutes, la vitesse de vol est de 320 km/h et la distance de vol est de 250 km. L'essai en vol de l'avion électrique habité est terminé.
CATL a annoncé en avril 2023 que la densité énergétique de sa batterie à matière condensée atteignait 500 wh kg et qu'elle coopérait au développement du projet d'avion civil électrique piloté.
Ces entreprises utilisent principalement pile ternaire au lithium. En effet, eVOLT évalue des facteurs tels que la sécurité, les performances à basse température, la densité énergétique et le taux de charge et de décharge instantané. À partir de ces points, le ternaire peut être adapté.
Conclusion
La batterie de 500 wh kg est indispensable pour les routes de batteries avancées de la Chine, des États-Unis, du Japon et d'autres pays, et des progrès correspondants ont été réalisés jusqu'à présent. Bien que la probabilité qu'une batterie de 500 Wh kg soit appliquée dans le domaine des batteries d'énergie soit très faible, beaucoup de connaissances et d'expérience seront accumulées au cours du processus de développement.
Elle peut ouvrir la voie à la prochaine génération de batteries à haute énergie spécifique et peut également être utilisée dans des systèmes existants pour réduire les coûts et améliorer la sécurité. La commercialisation d'une batterie de 500 wh kg peut compenser le manque de densité énergétique et aider les batteries au lithium à s'élever dans le vaste ciel.
