Quelle est la meilleure batterie lithium-ion ?

Batterie ternaire au lithium-ion

La batterie lithium polymère ternaire est une batterie lithium ion qui utilise un matériau cathodique ternaire lithium nickel, cobalt et manganèse. Il existe de nombreux types de matériaux de cathode pour les batteries lithium-ion, notamment l'acide de lithium-cobalt, le lithium-manganèse, l'acide de lithium-nickel, le matériau ternaire, le phosphate de fer-lithium, etc.

Le matériau ternaire combine les avantages du cobalt lithium, du nickel lithium et du manganèse lithium avec une capacité élevée, un faible coût, une bonne sécurité et d'autres caractéristiques excellentes, et occupe progressivement une certaine part du marché des batteries au lithium ionique. Il offre également de bonnes perspectives de développement dans le domaine des piles au lithium de puissance.

Le cobalt est essentiel pour les batteries lithium-ion. Cependant, le cobalt est cher et toxique. Les principales entreprises japonaises et coréennes ainsi que les fabricants chinois de batteries se sont efforcés de réduire la quantité de cobalt dans les batteries au cours des dernières années. Dans ce contexte, les matériaux ternaires nickel-cobalt-lithium-manganate préparés à partir de sel de nickel, de sel de cobalt et de sel de manganèse sont progressivement promus. Du point de vue des propriétés chimiques, les matériaux ternaires appartiennent aux oxydes métalliques excessifs, et la densité énergétique de la batterie est élevée.

Bien que le rôle du cobalt dans les matériaux ternaires reste indispensable, la fraction massique est généralement contrôlée à environ 20%, et le coût est considérablement réduit. Il présente également les avantages du cobalt lithium et du nickel lithium. Ces dernières années, avec l'augmentation de la production, la tendance des batteries au lithium-ion utilisant un matériau ternaire comme matériau de cathode pour remplacer l'oxyde de lithium-cobalt commercial a été très évidente.

Des voitures électriques aux smartphones, en passant par les dispositifs portables ou les banques d'alimentation, cette nouvelle technologie fonctionne parfaitement.Tesla est le premier à utiliser une batterie ternaire au lithium-ion dans les véhicules électriques. L'autonomie de la Model S peut atteindre 486 kilomètres, et la capacité de la batterie peut atteindre 85 kWh. 8142 batteries Panasonic 18650 de 3,4AH sont utilisées.

D'un point de vue global, le développement et la production de matériaux ternaires progressent constamment. Ce processus a permis d'améliorer considérablement les performances des matériaux et d'élargir sans cesse le champ d'application. Les entreprises japonaises et coréennes sont à la pointe de la recherche et du développement des batteries lithium-ion ternaires. La production chinoise de matériaux ternaires a débuté vers 2005 et compte à ce jour plus de dix entreprises de grande envergure.

Batterie au lithium fer phosphate

Le phosphate de fer lithié n'est apparu comme matériau pour les batteries au lithium que ces dernières années, et la batterie au phosphate de fer lithié de grande capacité a été mise au point en Chine en 2005. Ses performances en matière de sécurité et sa durée de vie sont comparables à celles d'autres matériaux, et ce sont également les indicateurs techniques les plus importants des piles électriques.

La durée de vie de la batterie lithium-phosphate de fer avec une charge et une décharge de 1C peut aller jusqu'à 2000 fois. Si vous surchargez la batterie lithium-fer-phosphate de 30 V, elle ne brûle pas et n'explose pas en cas de perforation. Les batteries lithium-ion de grande capacité composées d'une cathode en phosphate de fer lithié sont plus faciles à utiliser en série pour répondre aux besoins de charge et de décharge fréquents des véhicules électriques.

Le phosphate de fer lithié est un matériau cathodique idéal pour une nouvelle génération de batteries lithium-ion en raison de ses avantages : non toxique, non polluant, bonne performance en matière de sécurité, large source de matières premières, faible prix et longue durée de vie. Mais la batterie au phosphate de fer lithié a aussi ses inconvénients. Par exemple, la densité de vibration du matériau cathodique de phosphate de fer lithié est faible, et le volume de la batterie de phosphate de fer lithié à capacité égale est plus important que celui de l'acide cobalt-lithium et d'autres batteries lithium-ion, de sorte qu'elle ne présente pas d'avantages pour les microbatteries.

En raison des caractéristiques inhérentes au phosphate de fer lithié, ses performances à basse température sont inférieures à celles d'autres matériaux positifs tels que l'acide manganèse lithié. Dans des circonstances normales, pour une cellule unique (note : nous parlons d'un bloc-batterie unique, et non du bloc-batterie), la performance à basse température est inférieure à celle des autres matériaux positifs tels que l'acide manganèse-lithium. 

La performance mesurée à basse température peut être légèrement supérieure, ce qui est lié aux conditions de dissipation de la chaleur), Le taux de rétention de la capacité de celui-ci est environ 60~70% lorsque la température est 0℃, et 40~55% pour-10℃, 20~40% pour-20℃. Une telle performance à basse température ne peut évidemment pas répondre aux exigences de l'alimentation électrique. Actuellement, certains fabricants améliorent la performance à basse température du phosphate de fer lithié par de nombreuses méthodes telles que l'amélioration du système de liquide électrolytique, l'amélioration de la formule de la cathode, l'amélioration de la performance du matériau et l'amélioration de la conception de la structure de la cellule.

La batterie présente un problème de cohérence. La durée de vie d'une batterie lithium-fer-phosphate est actuellement de plus de 2 000 cycles, mais celle d'un bloc-batterie sera considérablement réduite, de l'ordre de 500 cycles. Étant donné qu'un bloc-batterie est constitué d'un grand nombre de cellules individuelles reliées entre elles, il fonctionne comme un groupe de personnes courant ensemble sur une corde.

Même si tout le monde est un bon sprinter, si leurs mouvements ne sont pas cohérents, l'équipe ne courra pas vite et la vitesse globale sera même inférieure à celle du coureur individuel le plus lent. De même, la durée de vie d'une batterie ne peut approcher celle d'une batterie unique que si les performances de la batterie sont très homogènes.

Batterie lithium-ion à l'acide manganèse

L'acide manganèse-lithium est un matériau d'anode prometteur pour les batteries lithium-ion. Comparé aux matériaux d'anode traditionnels tels que l'acide cobalt-lithium et l'acide manganèse-lithium, il présente certains avantages tels que des ressources abondantes, un faible coût, l'absence de pollution, une sécurité élevée et un bon rapport de performance, etc. C'est le matériau idéal pour la cathode des batteries d'énergie, mais sa mauvaise circulation et sa stabilité électrochimique limitent grandement son industrialisation. Le manganate de lithium comprend principalement le manganate de lithium de type spinelle et le manganate de lithium à structure laminaire, dont la structure de manganate de lithium de type spinelle est stable et facile à produire industriellement. 

Aujourd'hui, les produits commercialisés utilisent tous ce type de structure. Le manganate de lithium de type spinelle appartient au système cristallin cubique, groupe spatial Fd3m, capacité spécifique théorique de 148mAh/g. Grâce à la structure tridimensionnelle en tunnel, les ions lithium peuvent être retirés de manière réversible du réseau de spinelle et ne provoqueront pas l'effondrement de la structure. Il présente donc d'excellentes performances en termes de taux et de stabilité.

Aujourd'hui, les inconvénients traditionnels de la faible densité énergétique et de la mauvaise performance de cyclage du lithium-manganèse ont été grandement améliorés. La modification de la surface et le dopage peuvent modifier efficacement ses propriétés électrochimiques, et la modification de la surface peut inhiber efficacement la dissolution du manganèse et la décomposition de l'électrolyte.

La combinaison de la modification de la surface et du dopage peut sans aucun doute améliorer davantage les propriétés électrochimiques des matériaux, et l'on pense qu'elle deviendra l'une des directions de recherche pour la modification du manganate de lithium spinelle à l'avenir.