Technologie des batteries pour véhicules électriques - défis et développement

Difficultés liées à la technologie des batteries pour véhicules électriques

• Prix élevé

Le métal le plus couramment utilisé dans les batteries de VE est le lithium, et le prix de ce métal n'est pas bon marché. En outre, certains types de batteries utilisent des métaux rares tels que le cobalt et le cadmium. Ces métaux étant plus chers, les coûts de fabrication des batteries restent relativement élevés.

• Performances de la batterie

Les batteries au lithium sont très performantes à tous égards, avec une grande capacité, un taux d'acceptation de charge élevé et la prise en charge de la charge rapide (les batteries au lithium ordinaires prennent en charge jusqu'à 2C, et les batteries au lithium de puissance sont encore plus performantes). Cependant, elles présentent une faiblesse fatale, à savoir les performances de surcharge et de surdécharge.

Une seule surcharge ou surdécharge d'une batterie au lithium peut réduire ses performances de manière permanente, et une seule surcharge ou surdécharge importante peut entraîner sa mise au rebut. C'est pourquoi le phosphate de fer lithié a été développé. Le phosphate de fer lithié est plus résistant aux surcharges et aux décharges excessives que les batteries lithium-ion.

La batterie lithium-fer-phosphate de puissance a une capacité beaucoup plus faible que la batterie lithium de grande capacité. Par exemple, la capacité d'une Batterie 18650 est généralement d'environ 2400mAH, et la plus élevée atteint 2800mAH. La batterie lithium-fer-phosphate est généralement de 1300mAH, et la capacité maximale est de 1500mAH, ce qui représente environ la moitié de l'écart de capacité.

• Équilibrage de la batterie

Les performances de surcharge et de surdécharge des piles au lithium ne sont pas bonnes, et la décharge de l'ensemble des piles est inégalement équilibrée. En d'autres termes, lorsque certaines batteries sont complètement déchargées et que d'autres ne le sont pas, la poursuite de la décharge entraînera une surdécharge de certaines batteries, voire une inversion de la polarité, ce qui réduira la capacité. L'écart se creusera de plus en plus lors de la prochaine décharge de la batterie. Les piles doivent donc être appariées à la sortie de l'usine, et il faut essayer de les mettre ensemble avec la même capacité.

Cependant, il existe toujours de légères différences dans l'environnement d'utilisation, telles que la température, l'emplacement, la tension, les performances de la batterie, etc. qui font que l'écart se creuse. En outre, la défaillance d'une seule batterie peut entraîner la mise au rebut de l'ensemble du bloc-batterie dans les cas les plus graves.

• Technologie de charge rapide

Par exemple, avec un courant de 1C, il faut 1/1=1 heure entre la charge complète et la décharge ; 2C=1/2 heure, soit 30 minutes ; et 4C prend 15 minutes. La charge rapide et la charge lente sont des concepts relatifs. Il est généralement admis que la charge rapide d'une technologie de batterie de VE fait référence à une méthode de charge avec un courant de charge supérieur à 1,6C, c'est-à-dire une technologie de batterie de VE qui se charge de 0% à 80% en moins de 30 minutes.

Mais le courant plus élevé représente un défi important pour la station de charge et la batterie. Lors de la charge, des ions lithium sont générés sur l'électrode positive de la batterie, et les ions lithium générés se déplacent vers l'électrode négative à travers l'électrolyte. Le carbone utilisé comme électrode négative a une structure en couches et présente de nombreux micropores pour l'insertion des ions lithium qui atteignent l'électrode négative. Plus il y a d'ions lithium intégrés, plus la capacité de charge est élevée.

Pendant la charge rapide, les ions lithium doivent être accélérés et intégrés instantanément dans l'électrode négative. Cela pose un grand défi à la capacité de l'électrode négative à recevoir rapidement les ions lithium. Les batteries dotées de systèmes chimiques ordinaires produisent des sous-produits dans l'électrode négative pendant la charge rapide, ce qui affecte le cycle et la stabilité de la cellule de la batterie.

Par conséquent, le cœur de la technologie des batteries de VE à charge rapide est d'accélérer le mouvement des ions lithium dans les électrodes positives et négatives par le biais d'un système chimique et d'une optimisation de la conception sans affecter la durée de vie et la fiabilité des cellules de la batterie.

En outre, la vitesse de dissipation de la chaleur à l'intérieur de la batterie est également un facteur important qui influe sur les performances de la batterie. Si la vitesse de dissipation de la chaleur est lente, la chaleur accumulée pendant la charge et la décharge à haut débit ne peut pas être évacuée, ce qui affecte la fiabilité et la durée de vie de la batterie lithium-ion.

• Taux d'énergie de la batterie

Selon les experts de l'industrie, la première façon de surmonter l'angoisse du kilométrage est d'augmenter la densité énergétique des batteries d'alimentation. C'est également l'orientation prise par le gouvernement et poursuivie par l'Agence européenne pour l'environnement (AEE). fabricants de piles au lithium sur mesure dans l'industrie. À l'heure actuelle, la densité énergétique des principales entreprises de batteries d'énergie a dépassé 180wh/kg, la densité énergétique des batteries 811 peut atteindre 280wh/kg, et la densité énergétique des matériaux en silicium peut atteindre plus de 300wh/kg.

Cependant, les séparateurs d'électrodes positives et négatives nécessitent des améliorations de la technologie des batteries de VE. Selon les experts susmentionnés, l'inquiétude quant à la durée de vie des batteries est indissociable de leur faible densité énergétique. Le kilométrage actuel des batteries peut atteindre plus de 300 kilomètres, voire 400 kilomètres.

L'augmentation de la densité énergétique nécessite l'amélioration des matériaux des électrodes positives et négatives, ainsi qu'une recherche accrue sur l'adéquation entre les électrodes positives et négatives et les électrodes négatives. batterie haute tension les électrolytes, les séparateurs résistants aux températures élevées et à haute résistance, les processus de réapprovisionnement en lithium, les structures de contrôle de la sécurité des batteries, les structures de protection des systèmes et d'autres technologies de batteries pour véhicules électriques.

S'il n'y a pas de percée technologique évidente dans les matériaux des piles électriques, il sera difficile de faire d'autres percées après que l'énergie spécifique aura atteint un certain niveau, tandis que l'impact négatif sur la sécurité deviendra de plus en plus important. Avant de maîtriser les règles anti-incendie des piles au lithium, on ne peut ignorer l'équilibre entre la densité énergétique, la sécurité et la durée de vie.

• Sécurité des batteries

Pendant l'utilisation, les piles au lithium s'enflamment spontanément parce que les mesures de protection ne sont pas en place ou parce qu'une force externe sévère les endommage, ce qui entraîne une défaillance de la protection et un contact entre le lithium métallique et l'air.

Le lithium est l'un des métaux les plus réactifs, mais les batteries lithium-ion ont une petite taille, une grande densité de capacité et une grande densité d'énergie, ce qui en fait le premier choix pour la technologie des batteries des véhicules électriques. Les batteries lithium-ion utilisent le gain et la perte d'électrons ainsi que la migration et l'accumulation d'ions lithium pour stocker l'énergie électrique.

Lorsque la batterie est chargée, les atomes de lithium de l'électrode positive perdent des électrons et se transforment en ions lithium, créant ainsi une différence de potentiel. Les ions lithium présents dans le milieu électrolytique migrent et s'accumulent vers l'électrode négative sous l'action de la différence de potentiel. Lors de la décharge, l'ensemble du processus est inversé. L'ensemble du processus de fonctionnement est déterminé par le gain et la perte de lithium métal dans l'électrode.

Innovations en matière de technologie des batteries pour les fabricants de véhicules électriques

• CATL

① Batterie condensée

CATL a lancé des produits de batteries condensées, s'efforçant de dépasser la limite de la densité énergétique (500wh/kg), avec des caractéristiques telles qu'une grande sécurité, un poids léger, une densité énergétique élevée et une longue durée de vie. L'utilisation d'électrolytes condensés pour construire une structure de réseau adaptative améliore les performances dynamiques de la batterie et l'efficacité de la transmission lithium-ion. Les batteries condensées ont été utilisées dans le développement collaboratif de projets d'avions civils électriques pilotés et devraient trouver des applications commerciales.

② Kirin 4C

Les batteries Kirin sont officiellement livrées au modèle Zeekr 009, et le premier lot de modèles produits en série équipés de batteries Kirin 4C sera utilisé dans les modèles Lixiang.

③ Système de batterie AB

Le système de batterie AB "fer-lithium + ternaire" de CATL a été installé dans les produits de NIO, puis le système de batterie AB "lithium + sodium" a été étendu aux modèles grand public d'une autonomie de 500 kilomètres. La batterie sodium-ion sera lancée sur les modèles Chery. Bien entendu, aucun de ces produits n'aura d'impact particulier à court terme, mais ils pourraient avoir des effets significatifs à long terme.

• BYD

Batterie de lame

La batterie à lame de BYD est appelée batterie super lithium-phosphate de fer et utilise une nouvelle technologie de batterie pour véhicules électriques dans la conception de la structure de la batterie. La principale caractéristique de la batterie à lame est la conception plate de la cellule de batterie, qui peut mesurer jusqu'à 2500 mm de long, ce qui permet d'augmenter la densité énergétique volumétrique de 50%. En outre, la durée de vie de la batterie du véhicule peut atteindre plus de 8 ans et 1,2 million de kilomètres. Plus important encore, le coût des nouveaux produits peut être réduit de 20 à 30%.

Grâce à l'innovation structurelle, les "modules" peuvent être sautés lors de la formation d'un groupe, ce qui améliore considérablement l'utilisation du volume et permet d'atteindre l'objectif de conception consistant à installer plus de batteries dans le même espace. Par rapport aux batteries traditionnelles, l'utilisation du volume des batteries de pales a augmenté de plus de 50%, ce qui signifie que le rayon d'action en croisière peut être augmenté de plus de 50%.

Elle a atteint le même niveau que la haute densité énergétique pile ternaire au lithium. L'autonomie de croisière dépasse 600 km et peut être chargée et déchargée plus de 3 000 fois.

• Sunwoda

Chargement de la batterie du flash

En ce qui concerne la première batterie de charge flash produite en masse au monde, avec une puissance de charge de pointe de 480 kW, Sunwoda a indiqué qu'il y aurait deux solutions : carrée et cylindrique. Parmi celles-ci, la solution de batterie carrée peut réaliser une charge flash et peut charger de 20% à 80% SOC en 10 minutes.

Selon les rapports, la batterie carrée à charge rapide 2.0 peut être associée à des solutions de conception telles que l'inversion de système/la séparation thermoélectrique, et fait actuellement l'objet d'une coopération approfondie avec des constructeurs automobiles de premier plan. Elle peut se charger en 5 minutes et rouler sur plus de 250 kilomètres.

La solution de batterie cylindrique se charge rapidement et peut être chargée au niveau 80% SOC en 10 à 15 minutes, ce qui permet d'atteindre facilement une autonomie de plus de 1 000 kilomètres. Le système de batterie présente une compatibilité et une adaptabilité élevées, s'adaptant à différentes solutions CTB compatibles avec l'enveloppe.

La batterie à charge rapide adopte des technologies clés pour les batteries de véhicules électriques, telles que la technologie des matériaux en silicium pour la charge rapide, conçue de manière indépendante, les cathodes en nickel moyen à haute sécurité, et la nouvelle technologie d'électrolyte à base de silicium, développée de manière indépendante.

Tendances de développement de la technologie des batteries pour véhicules électriques

• Tendance 1 : les matériaux cathodiques évoluent vers une forte teneur en nickel, le cobalt et le manganèse sont progressivement réduits.

Le matériau de la cathode des piles ternaires au lithium est généralement composé de nickel-cobalt-manganèse ou de nickel-cobalt-aluminium. Parmi les matières premières métalliques telles que le nickel, le cobalt et le manganèse (aluminium), les ressources en cobalt sont relativement rares et inégalement réparties.

La Chine dispose actuellement de réserves prouvées de cobalt d'environ 80 000 tonnes, ce qui ne représente qu'environ 1% des réserves mondiales totales, et elle est fortement dépendante des importations. Avec le développement de la technologie des batteries pour véhicules électriques, les prix du cobalt ont également augmenté. Par conséquent, la réduction de la teneur en cobalt dans les matériaux ternaires est cruciale pour le contrôle global des coûts des fabricants de cathodes.

Le cobalt joue un rôle dans la stabilisation de la structure de la batterie ternaire et ne participe pas à la réaction électrochimique ; le rôle du nickel est d'augmenter la densité énergétique volumique du matériau. Par conséquent, réduire la teneur en cobalt tout en augmentant la teneur en nickel est un bon moyen d'augmenter la densité énergétique de la batterie et de réduire les coûts.

Les entreprises leaders dans le domaine des batteries d'énergie, telles que Panasonic, LG et CATL, ont fait des batteries à faible teneur en cobalt et sans cobalt leurs axes de recherche sur les batteries d'énergie de prochaine génération et de développement de la technologie des batteries pour véhicules électriques. Toutefois, les problèmes liés à la technologie des batteries pour véhicules électriques, tels que la sécurité et l'adaptation de l'électrolyte des batteries ternaires après l'élimination du cobalt, doivent encore être résolus.

À l'heure actuelle, la NCM811 (le rapport entre le nickel, le cobalt et le manganèse est de 8:1:1) est la batterie ternaire nickel-cobalt-manganèse ayant la plus faible teneur en cobalt qui ait été produite en masse.

• Tendance 2 : les matériaux d'anode tels que ceux à base de silicium constituent l'orientation future du développement de la technologie des batteries pour véhicules électriques, et le silicium-carbone et le silicium-oxygène sont les principales voies technologiques des batteries pour véhicules électriques.

Le matériau d'anode est l'un des matériaux de base des batteries lithium-ion. L'amélioration des performances des batteries lithium-ion dépend dans une certaine mesure de l'amélioration des performances des matériaux d'anode.

Les anodes des piles au lithium sont principalement divisées en deux catégories : les matériaux à base de carbone et les matériaux sans carbone. À l'heure actuelle, le marché des matériaux d'anode conserve une structure de produits dominée par le graphite artificiel et complétée par le graphite naturel.

Du point de vue de la technologie des batteries pour véhicules électriques, la limite supérieure de capacité des matériaux d'anode en graphite ne peut plus répondre à la demande de densité énergétique plus élevée des véhicules électriques. Le silicium est la clé de l'amélioration de la densité énergétique des batteries d'énergie. À l'heure actuelle, les matériaux à base de silicium sont principalement développés dans les domaines des matériaux composites silicium-carbone et des matériaux composites silicium-oxygène.

Les exigences en matière de densité énergétique des batteries d'énergie augmentant, un système d'électrodes négatives en silicium-carbone associé à des matériaux ternaires à haute teneur en nickel est devenu une tendance de développement de la technologie des batteries pour véhicules électriques.

Par exemple, la batterie 4680 de Tesla utilise une électrode positive à haute teneur en nickel et une électrode négative en carbone silicium. Les fabricants de batteries tels que CATL, Panasonic, LG et EVE ont tous des plans de capacité de production pour la technologie des batteries 4680 pour véhicules électriques. Le grand cylindre 4680 et la technologie de charge rapide devraient également accélérer l'application des électrodes négatives à base de silicium.

• Tendance 3 : la structure des batteries d'énergie évolue vers des modules de grande taille ou sans module.

Outre l'itération des matériaux, l'innovation structurelle est une autre voie de développement technologique importante pour la technologie des batteries pour véhicules électriques. Le système traditionnel de technologie des batteries pour véhicules électriques est généralement un modèle d'assemblage à trois niveaux "cellule-module-batterie". Cependant, le taux d'utilisation de l'espace de la configuration du module n'est que de 40%, ce qui limite considérablement l'espace disponible pour les autres composants.

C'est pourquoi les principaux fabricants ont apporté des améliorations structurelles et des simplifications sur des aspects tels que les cellules, les modules et les méthodes d'emballage afin d'améliorer les performances des systèmes de batteries. Le développement de l'intégration des batteries (CTP, CTC, CTB) est progressivement devenu un axe de recherche et d'application clé dans l'industrie.

• Tendance 4 : les voies d'accès à la technologie des batteries d'alimentation se développent de manière diversifiée.

Les réserves mondiales de lithium sont limitées, et les réserves prouvées de cobalt, de nickel et d'autres ressources de la Chine ne représentent qu'une faible proportion des réserves mondiales. Le développement de la technologie des batteries lithium-ion pour véhicules électriques sera limité par la pénurie de ressources en lithium à long terme.

En 2021, la politique de la Commission nationale pour le développement et la réforme et de l'Administration nationale de l'énergie a souligné que les nouvelles technologies de l'information et de la communication (TIC) devraient être mises en place dans les pays en développement. solutions de stockage de l'énergie sont des équipements importants et de base qui soutiennent les nouveaux systèmes d'alimentation. L'avis appelle à un développement diversifié de la technologie des batteries pour véhicules électriques.