Quelle est la différence entre une batterie lithium-ion et une batterie lithium-métal ?
Récemment, SES (anciennement SolidEnergySystems) a annoncé la batterie hybride lithium-métal Apollo™ lors d'un événement en ligne. La batterie hybride Apollo™ pile au lithium métal a une capacité de 107 Ah et ne pèse que 0,982 kg, ce qui en fait la plus grande batterie au lithium métal du monde.
Sa densité énergétique a également atteint 417Wh/kg et 935Wh/L. Cette batterie lithium-métal a également fait preuve d'une capacité et d'une densité énergétique élevées lors d'essais de décharge effectués par des tiers.
Typiquement, batterie lithium-ion utilisent le graphite ou le silicium comme anode. Une batterie hybride lithium-métal, en revanche, utilise du lithium-métal comme anode.
SES a déclaré avoir signé un accord de développement conjoint avec GM et Hyundai pour développer un modèle A de batterie au lithium-métal, qui sera lancé l'année prochaine et prêt pour la production de masse d'ici 2025.
Il ne s'agit en fait que de la deuxième tentative de commercialisation d'une batterie au lithium métal utilisant un électrolyte liquide.
Route:batterie hybride lithium-métal
Exploration de l'électrolyte liquide et de l'électrolyte solide
Les piles à l'état solide sont les piles de la prochaine génération les plus en vogue. Une batterie à l'état solide est une batterie au lithium dotée d'une structure solide. électrolyte de batterie. L'une des raisons de l'utilisation d'un électrolyte solide est l'utilisation d'une anode en lithium métal pour augmenter considérablement la densité énergétique.
Les premières tentatives commerciales de batteries au lithium métal utilisaient un électrolyte liquide.
En 1985, Moli Energy, une entreprise canadienne, a installé la première batterie au lithium métal dans un téléphone portable, mais dans les six mois qui ont suivi, elle a lancé un rappel mondial en raison d'une série d'explosions.
Les scientifiques n'ayant pas réussi à faire une percée dans le domaine des batteries au lithium métal en utilisant des électrolytes liquides, les gens se sont tournés vers des solutions d'électrolytes à l'état solide.
Bien que l'idée de l'électrolyte solide puisse résoudre efficacement le problème de la dendrite de lithium, la faible conductivité ionique est devenue un autre goulot d'étranglement pour le développement.
L'application de l'anode en lithium métal dans les batteries secondaires est en difficulté.
L'émergence de l'électrolyte à haute concentration
Si nous considérons l'exploration précédente de l'électrolyte liquide et de l'électrolyte solide comme les deux premières étapes de l'application de l'anode de la batterie au lithium métal, la troisième étape débutera vers 2014, avec l'émergence de l'électrolyte à haute concentration.
En général, les électrolytes sont composés de deux matériaux, à savoir le sel et le solvant. Les électrolytes conventionnels contiennent beaucoup de solvants et très peu de sel. Le solvant lui-même est du carbonate, qui est une matière organique inflammable. La majeure partie de l'électrolyte est inflammable et donc dangereuse.
Un électrolyte à forte concentration, en revanche, contient beaucoup de sel et peu de solvant.
L'électrolyte propre à SES présente deux avantages : il n'est pas inflammable et il améliore la forme des dendrites de lithium.
Selon SES, ils utilisent un électrolyte avec une forte concentration de solvant dans le sel, un électrolyte avec plus de sel et moins de solvant. Il n'y a que quelques gouttes de solvant, et le solvant est un solvant inorganique, il n'est pas inflammable. Et le sel n'est pas de l'hexafluorophosphate de lithium ordinaire, c'est un nouveau sel avec sa propre recette.
En d'autres termes, l'électrolyte est toujours liquide, mais le liquide lui-même n'est plus inflammable.
Leur électrolyte a également amélioré la forme des dendrites de lithium.
Avec un électrolyte conventionnel, les dendrites de lithium sont très pointues, très pelucheuses, et elles peuvent traverser la membrane et provoquer un court-circuit et l'explosion de la batterie lithium-métal.
Avec le nouvel électrolyte de SES, les dendrites de lithium continuent à se former, mais leur forme est complètement différente, une forme très ronde, dense et plate. De cette manière, il n'y a pas de perforation du diaphragme et de court-circuit".
En outre, ils sont recouverts d'une couche protectrice qui rend la dendrite de lithium très dense et la compacte. Le SES s'inspire de l'idée de l'électrolyte solide.
Les problèmes de dendrites existent toujours, même si elles ne sont pas nettes ou même aplaties. Ils utilisent donc une troisième approche, la surveillance logicielle. Ils ont mis au point une plate-forme de surveillance logicielle, contrôlent la sécurité des piles au lithium métal 24 heures sur 24, prévoient à l'avance l'état de développement des piles en fonction des conditions d'utilisation et prennent l'initiative de traiter les dangers potentiels des piles.
Quatre technologies de base pour les batteries hybrides lithium-métal
La batterie lithium-métal SES comprend au total quatre technologies de base. La première est le matériau, c'est-à-dire l'électrolyte, la formule et le solvant à l'intérieur de l'électrolyte sont entièrement développés par eux-mêmes, ils ne sont pas inflammables, ils sont plus sûrs. Il s'agit également d'un liquide très stable contenant du lithium métal.
Le second est le lithium métal lui-même. Bien que le lithium métal soit acheté, la fabrication d'une feuille et d'une ceinture de lithium ultra-mince et ultra-large constitue un défi de taille. SES travaille avec un certain nombre de fournisseurs pour développer le processus.
La troisième est la fabrication de cellules, SES produisant ses propres cellules. Les batteries au lithium métal sont similaires aux batteries au lithium ion, mais elles présentent de nombreuses différences. Cette partie constitue également la technologie de base de SES.
Le quatrième est le logiciel. SES commence par la production des cellules, le contrôle de la qualité des matières premières et la collecte des données tout au long du processus de production. Le logiciel surveille les performances de chaque cellule avec une grande précision et prédit les risques jusqu'à un mois à l'avance.
La batterie hybride lithium-métal combine la densité énergétique élevée du lithium-métal et les performances de fabrication élevées des ions lithium pour tirer parti de leurs atouts respectifs.
Avantages : la densité énergétique de la batterie lithium-métal est nettement supérieure.
La batterie au lithium métal a des performances similaires à celles de la batterie au lithium ion, mais une densité énergétique nettement plus élevée.
Densité énergétique élevée
Dans le cas de l'utilisation de la même cathode que la batterie lithium-ion, l'application de l'anode lithium-métal peut améliorer de manière significative la densité énergétique de la batterie lithium-métal. Selon SES, la batterie Apollo™ a une densité énergétique de 417Wh/ Kg et 935Wh/L.
400Wh/kg est le point de départ de la densité énergétique des batteries lithium-métal, et elles continueront à l'optimiser jusqu'à 480Wh/kg, voire 500Wh/kg, en fonction de la demande future, ce qui est bien supérieur à la densité énergétique des batteries lithium-ion actuellement sur le marché.
Qu'en est-il de la sécurité, des performances à basse température et de la durée de vie ?
De meilleures performances en matière de sécurité
Peut-être parce qu'ApolloTM venait d'être construit, il n'y avait pas beaucoup de données d'essai. Jusqu'à présent, ils n'ont effectué que des tests de décharge dans trois environnements : décharge de 10 heures, décharge de 3 heures et décharge d'une heure. D'après les données, la densité énergétique et le volume sont très proches.
SES a fourni d'autres données sur les petites cellules 4Ah à titre de référence.
Selon un test effectué par une tierce partie, leur petite cellule peut passer le test de l'aiguille, de la surcharge, du court-circuit externe et de la température élevée. Selon SES, la batterie lithium-métal peut atteindre des performances de sécurité similaires à celles de la batterie lithium-ion.
Meilleure performance à basse température
Ils ont également testé le taux C et les performances à basse température. Ces tests ont montré que la batterie lithium-métal conservait une densité énergétique très élevée de 40 degrés à moins 30 degrés, d'une décharge très lente - 10 heures - à une décharge très rapide - moins de 10 minutes.
Une petite cellule peut se charger jusqu'à 4C et se décharger jusqu'à 10C.
La batterie au lithium métal peut également être rechargée rapidement. Des tests effectués par des tiers montrent que leur batterie lithium-métal passe de 10 % à 90 % de charge en seulement 12 minutes.
Longue durée de vie
En termes de durée de vie, les données SES montrent que la batterie lithium-métal de 250mAh à 3/4 couches peut atteindre 80% capacité de la batterie après 800 cycles, et la batterie lithium métal 25+ couches 4,2Ah peut atteindre un taux de rétention de capacité de 90% après 550 cycles.
L'ensemble du processus de fabrication et de la chaîne industrielle de la batterie au lithium métal est très similaire à celui de la batterie au lithium-ion. 60% du processus peut être partagé, mais il y a une grande différence dans la production de l'anode.les cellules au lithium métal peuvent être produites très bien.
En ce qui concerne le matériau de la cathode, le matériau de la cathode de la batterie au lithium-ion est utilisé en fonction des besoins des entreprises automobiles, et peut être constitué de phosphate de fer ternaire et de phosphate de fer lithié. Par conséquent, les performances de la batterie mixte lithium-métal sont très similaires à celles de la batterie lithium-ion.
Progrès dans le domaine des batteries au lithium métal : l'année prochaine, échantillon A, 2025 production de masse
SES travaille avec General Motors et Hyundai Motor pour lancer l'échantillon A de batterie lithium métal pour véhicules l'année prochaine. Ils prévoient de lancer l'échantillon A en 2022, l'échantillon B en 2023, l'échantillon C en 2024, et de monter dans le bus vers 2025 pour la production de masse.
SES construit la Shanghai Gigafactory, dont l'achèvement est prévu en 2023, avec une superficie totale de 30 000 mètres carrés. La Gigafactory, située dans la ville automobile internationale de Jiading à Shanghai, aura une capacité de 1GWh, ce qui en fera la plus grande usine de batteries au lithium métal au monde.
D'ici 2025, SES construira des usines en coentreprise avec des constructeurs automobiles. L'objectif est de commencer la construction d'usines de 10 GWh en 2025 et d'augmenter la capacité annuelle à 30 GWh d'ici 2028.
Pour l'implantation de la base de production, il s'agit d'adopter le principe de la proximité de l'entreprise automobile.
Selon SES, la chaîne de l'industrie des batteries comporte trois étapes. Premièrement, le développement des matériaux, les États-Unis ont l'avantage ;
Deuxièmement, le développement des produits cellulaires et de l'ingénierie de production, qui doit être réalisé en Chine et en Corée du Sud, en bénéficiant des avantages de la chaîne industrielle de la Chine et de la Corée du Sud ;
La troisième est la production. D'une manière générale, la production doit être proche de l'entreprise automobile. Par exemple, CATL installe une usine en Allemagne principalement pour servir les constructeurs automobiles allemands. LG et SK installent des usines aux États-Unis principalement pour servir les constructeurs automobiles américains.
"Si nous devions servir les constructeurs automobiles américains, construire des usines aux États-Unis, servir les constructeurs automobiles asiatiques en Asie, et servir les constructeurs automobiles européens en Europe".
Pour les batteries hybrides lithium-métal, SES est confiant. SES ne se soucie pas de savoir s'il s'agit d'une batterie solide ou d'une batterie hybride. La batterie à l'état solide, qu'ils ont déjà essayée, est loin d'être aussi performante que la batterie hybride lithium-métal en termes de performance et de productivité, c'est pourquoi ils ont choisi la batterie hybride lithium-métal.
Il convient de souligner à nouveau qu'à l'heure actuelle, SES fournit davantage de données à partir de la petite cellule de 4Ah, et que la grande cellule de 100Ah ne fournira pas de données supplémentaires avant l'année prochaine au plus tôt.
En outre, en tant que tout nouveau produit, la batterie hybride lithium-métal doit passer de l'échantillon à la production de masse, et doit surmonter les principaux obstacles de la production de masse, des essais et de la vérification de l'adéquation avec le véhicule, et de l'application dans une voiture réelle. Attendons de voir si elle peut être produite en série et chargée avec succès.
