Qu'est-ce qu'une pile ternaire au lithium ?

Avantages de la batterie ternaire au lithium

La lumière batterie de moto La batterie au lithium ternaire de TYCORUN ENERGY ODM est une batterie au lithium ternaire. Les matériaux ternaires à base de nickel, de cobalt et de manganèse présentent respectivement les avantages suivants.

Co3+ : réduit l'occupation du mélange cationique, stabilise la structure en couches du matériau, réduit la valeur d'impédance, améliore la conductivité, améliore le cycle et l'efficacité.

Ni2+ : peut améliorer la capacité du matériau (améliorer la densité d'énergie volumique du matériau), et en raison du rayon similaire du Li et du Ni, une trop grande quantité de Ni entraînera une dislocation avec le Li et conduira à un mélange de lithium et de nickel.

Plus la concentration d'ions nickel dans la couche de lithium est élevée, plus il est difficile pour le lithium de se désassembler dans la structure en couches, ce qui se traduit par de mauvaises performances électrochimiques.

Mn4+ : Il permet non seulement de réduire le coût des matériaux, mais aussi d'améliorer la sécurité et la stabilité des matériaux. Toutefois, une teneur élevée en Mn entraîne facilement l'apparition d'une phase spinelle et la destruction de la structure en couches, ce qui entraîne une réduction de la capacité et de l'atténuation cyclique.

Une densité énergétique élevée et une bonne performance cyclique sont les principaux avantages des batteries ternaires au lithium, qui constituent également un facteur important de la batterie. La plate-forme de tension détermine l'efficacité de base et le coût de la batterie, et constitue un indicateur important de la densité énergétique de la batterie.

Plus la plate-forme de tension est élevée, plus la capacité spécifique est importante. Ainsi, à volume et poids égaux, ou même à ampères-heure égaux, plus la plate-forme de tension de la batterie ternaire au lithium est élevée, plus sa durée de vie est longue.

Plus précisément, la plate-forme de tension de décharge d'une batterie lithium ternaire simple atteint 3,7 V, celle du phosphate de fer lithié est de 3,2 V et celle du titanate de lithium n'est que de 2,3 V. Par conséquent, du point de vue de la densité énergétique, la batterie ternaire au lithium présente des avantages absolus et constitue une batterie aux performances globales excellentes.

Inconvénients de la pile ternaire au lithium

Le plus grand inconvénient de la pile au lithium ternaire est sa sécurité relativement faible, et son point d'ignition est bas lorsqu'elle est touchée et que la température est élevée. Comme indiqué ci-dessus, les piles au lithium ternaires comprennent principalement les piles au lithium nickel-cobalt aluminate et les piles au lithium nickel-cobalt-manganèse.

La structure instable du nickel-cobalt-aluminium à haute température entraîne une mauvaise sécurité à haute température, et la valeur du pH est trop élevée pour faire gonfler le monomère, ce qui est dangereux.

Comparaison entre une batterie ternaire au lithium et une batterie au phosphate de fer lithié

Dans le domaine des véhicules électriques, les batteries ternaires au lithium et les piles à combustible sont les plus utilisées. batterie lithium-fer-phosphate sont deux courants principaux. Leurs structures physiques et chimiques sont différentes, de sorte que les propriétés des matériaux sont également différentes, ce qui entraîne des différences de performances.

Les avantages de la pile ternaire au lithium sont une densité énergétique élevée, de bonnes performances à basse température, une densité de charge et de décharge élevée, une estimation précise de la quantité d'électricité, et les avantages de la pile au phosphate de fer lithié sont un faible coût, la sécurité et la stabilité.

Densité énergétique

En effet, du point de vue de la structure du matériau lui-même, le matériau ternaire a un poids moléculaire plus faible pour un même nombre d'ions lithium, de sorte que sa capacité spécifique est plus élevée que celle du fer-lithium et que la densité énergétique de la batterie est également plus élevée.

La structure cristalline des matériaux ternaires est en couches. Au cours du processus de charge et de décharge, le Li+ est désincrusté dans la structure inter-couche du MO6 (Mn=Ni, Mn, Co). Avec l'augmentation de la teneur en nickel, le Li+ désincrusté augmente, et la capacité théorique et la densité énergétique de la batterie des matériaux ternaires augmentent.

Le cristal de phosphate de fer lithié présente une structure olivine tridimensionnelle en réseau, formant un canal de transport unidimensionnel du Li+, ce qui limite la diffusion du Li+. En même temps, le FeO6 octaédrique est lié de manière co-apex, ce qui entraîne une mobilité des électrons 100 à 1000 fois plus lente que celle de la structure ternaire en couches.

Les ions lithium de l'électrode cathodique ternaire peuvent se déplacer dans deux directions différentes, ce qui rend la batterie plus puissante et plus apte à se charger et à se décharger que le lithium-fer.

Sécurité et stabilité

Cependant, comme le rayon de Ni2+ (0,069 nm) et de Li+ (0,076 nm) est proche l'un de l'autre, la probabilité de mélange de Li et de Ni augmente rapidement avec l'augmentation de la teneur en nickel dans les matériaux frittés terpolymères à haute température, ce qui rend la désintercalation de Li+ difficile, entraînant une réduction de la capacité spécifique et des propriétés de cyclage des matériaux, et difficile à inverser.

En outre, avec l'augmentation de la teneur en nickel, la proportion instable de Ni3+ dans le matériau augmente, ce qui tend à réagir avec l'humidité et le dioxyde de carbone dans l'air, exacerbant la perte de capacité spécifique et de performance de cyclage.

En revanche, la liaison chimique P-O du phosphate de fer lithié est relativement stable et ne se décompose que lorsque la température atteint 700-800 degrés Celsius. Même si la batterie est déformée et endommagée, les molécules d'oxygène ne seront pas libérées et une combustion violente se produira. Par conséquent, la batterie lithium-fer présente une meilleure stabilité et de meilleures performances en matière de sécurité.

Performance en matière de température

En outre, en comparant les différences de performances entre les batteries ternaires au lithium et les batteries au phosphate de fer lithié, on constate que la cathode ternaire présente des avantages en termes de capacité spécifique de la cathode et de densité énergétique de la batterie grâce à la structure de réseau en couches actives par rapport à la structure olivine du fer lithié, et que ses performances à basse température sont également meilleures que celles du fer lithié.

La capacité de libération de la batterie ternaire au lithium est supérieure de 15pct à celle de la batterie fer-lithium à moins 20℃. Cette différence de performance permettra aux voitures équipées d'une batterie lithium ternaire d'avoir un meilleur kilométrage que la batterie lithium fer en hiver.

En raison de sa structure en treillis plus stable, le matériau lithium-fer présente un avantage évident en termes de sécurité et de stabilité à haute température. Dans le même temps, la structure stable du fer-lithium permet d'obtenir un premier effet et une durée de vie plus élevés que le ternaire.

Courbe SOC

En outre, la performance électrochimique de la batterie ternaire au lithium et de la batterie au phosphate de fer lithié est également différente en raison de la courbe SOC. La courbe SOC de la batterie ternaire au lithium a une relation relativement linéaire avec son niveau de tension, tandis que la courbe SOC de la batterie lithium fer ne peut pas être facilement déterminée par sa transformation de tension en raison de sa longue plate-forme de charge et de décharge et de la mutation de tension après la période de plateau.

L'état estimatif de la batterie au lithium ternaire se situe à 1-2% près de sa valeur réelle, tandis que l'état estimatif de la batterie au lithium ferreux peut se situer à environ 10% près de sa valeur réelle. Les propriétaires de voitures veulent souvent savoir combien de temps durera l'autonomie d'une batterie au lithium ternaire. batteries automobiles lors de la conduite (cliquez sur le lien pour savoir comment calculer), en raison de la différence de la courbe SOC, la voiture équipée d'une batterie ternaire au lithium est plus à même de calculer et d'afficher l'autonomie restante, tandis que la voiture équipée d'un modèle au lithium-fer est sujette à une chute soudaine du coefficient d'affichage de l'autonomie, ce qui entraîne une différence dans l'expérience d'utilisation des propriétaires.

Avantages en termes de coûts

Dans le même volume, la batterie ternaire au lithium a toujours une meilleure densité énergétique, c'est-à-dire qu'à volume et masse égaux, la batterie ternaire au lithium permet de parcourir une plus grande distance. Cependant, avec les matériaux ternaires (nickel, cobalt, manganèse (aluminium)), la proportion de nickel augmente.

La densité énergétique de la batterie s'est encore améliorée, mais les problèmes de longévité, de surchauffe et même de sécurité sont réapparus. Sans parler de l'utilisation de métaux rares, les batteries ternaires au lithium ont été soumises à des pressions de coûts élevées.

Parallèlement, le matériau fer-lithium présente des avantages évidents en termes de prix et de coûts par rapport au nickel, au cobalt et au manganèse, qui sont plus rares dans les matériaux ternaires, car ses composants sont principalement du fer et du phosphore bon marché.

Par conséquent, les avantages et les inconvénients de la batterie ternaire au lithium et de la batterie au phosphate de fer lithié sont complémentaires. Le principal avantage du phosphate de fer lithié est sa grande sécurité et son faible coût. En théorie, la batterie au phosphate de fer-lithium peut supporter une température environ deux fois supérieure à celle de la batterie au lithium ternaire et ne libère pas d'oxygène en état de décomposition, avec un faible risque de combustion spontanée.

Associé à un plus grand nombre de cycles de charge, il ne contient pas de cobalt, un métal rare, ce qui lui confère un avantage considérable en termes de coût. Bien entendu, les inconvénients du phosphate de fer lithié sont une faible densité énergétique, une forte atténuation à basse température, une grande erreur d'estimation de la puissance restante, etc.

Nouveau produit de batterie ternaire au lithium:Batterie ternaire fer-lithium

En théorie, si les cellules ternaires au lithium et les cellules au phosphate de fer au lithium sont mises en série dans une certaine proportion, on peut obtenir une batterie relativement équilibrée à tous égards. Et après la mise en série, parce que le système de batterie a une meilleure résistance à la chaleur de la cellule lithium-fer, si la perte de contrôle thermique, la cellule lithium-fer peut également bloquer la transmission de la chaleur dans une certaine mesure.

Cependant, aucune série de produits de ce type n'a été produite, ce qui signifie que cette solution théoriquement réalisable s'est heurtée à des problèmes considérables et insolubles dans la pratique.

Néanmoins, Nio a récemment lancé une batterie ternaire fer-lithium, ce qui signifie que les difficultés théoriques et pratiques ont été résolues et que le produit peut être réellement produit en masse.

(video：L'usine de batteries lithium explique en détail le processus de fabrication d'une batterie lithium-ion 12v 24ah)