Solutions de batteries lithium-métal à haute énergie pour les véhicules électriques

Contexte de la recherche

Le marché des véhicules électriques (VE) nécessite des batteries à haute densité énergétique et à faible coût. Parmi les technologies de batteries rechargeables existantes, les batteries lithium-ion ont la densité énergétique la plus élevée. batteries de voiturettes de golf au lithium, batterie lithium pour véhicules récréatifs. En termes de coût, le prix des batteries lithium-ion commerciales est relativement bas. Cependant, pour parvenir à une commercialisation de masse, il est essentiel que les BEV aient une autonomie supérieure à 500 kilomètres et que le coût de la voiture soit inférieur à 40 000 $.

Malheureusement, les batteries lithium-ion basées sur des anodes en graphite et des anodes en oxyde de métal de transition au lithium sont pratiquement incapables d'atteindre des densités d'énergie aussi élevées.

Présentation des résultats

Récemment, un article intitulé "Opportunities and Challenges of High-Energy Lithium Metal Batteries for Electric Vehicle Applications" (Opportunités et défis des batteries lithium-métal à haute énergie pour les véhicules électriques) a été publié sur ACS Energy Lett.

En termes de densité énergétique et de coût, la batterie lithium-métal présente un avantage considérable par rapport à la batterie lithium-ion existante, ce qui ouvre d'immenses perspectives pour les véhicules électriques à longue autonomie et à faible coût. Dans cet article, les chercheurs examinent les exigences et les défis liés aux batteries lithium-métal à haute densité énergétique dans les futurs packs de batteries pour véhicules électriques et les applications système, et mettent en évidence les dernières avancées dans ces domaines.

Lecture illustrée

Pour que les véhicules électriques remplacent avec succès les véhicules traditionnels à moteur à combustion interne, la distance de conduite et le prix sont les facteurs les plus importants à prendre en considération, et un autre facteur important est l'autonomie de la batterie. À mesure que la densité énergétique des batteries au lithium métal augmente, une plus grande quantité d'énergie peut être stockée dans des packs de batteries de même taille ou de même poids. En raison de la plus grande autonomie par charge, les exigences en matière de durée de vie des batteries au lithium métal peuvent être réduites. Pour les applications VE, les batteries lithium-métal doivent avoir une durée de vie d'au moins 500 à 1000 cycles.

La longue durée de vie du LIB est due à la formation d'une couche intermédiaire d'électrolyte solide (SEI) stable sur l'anode en graphite, qui empêche l'électrolyte de se décomposer davantage et de s'effriter pendant le cycle. Toutefois, contrairement au graphite, l'anode en lithium métal présente d'importantes variations de volume et de morphologie au cours des processus répétés de placage ou de décapage.

Trois paramètres clés pour les batteries de sacs

Plage de température de fonctionnement

La température a une grande influence sur les piles au lithium métal, et la cinétique de la réaction électrochimique et la conductivité des ions varient en fonction des changements de température. Dans des conditions extrêmes, des problèmes de sécurité tels que des incendies, des dégagements de gaz et des explosions peuvent survenir.

Microtherm. Il a été constaté que les performances de la batterie diminuent rapidement en dessous de 0 °C. On pense que cette diminution est due à une conductivité ionique plus faible, à une résistance de transfert de charge plus élevée et à une diffusion des ions Li plus faible à basse température. À basse température, un placage de lithium se produit sur l'électrode de l'anode.

Haute température. Lorsqu'elles fonctionnent à des températures élevées, les batteries lithium-ion vieillissent rapidement, ce qui se traduit par une baisse rapide de leur capacité et de leurs performances. Les réactions secondaires entre la cathode et l'électrolyte et les changements dans l'assemblage de l'électrode inactive sont essentiels pour la dégradation due au vieillissement à des températures élevées.

Décharge et charge rapides

La capacité d'agrandissement de la batterie est essentielle pour les performances d'un véhicule électrique. Pour tout véhicule électrique, le freinage régénératif ou le "ravitaillement" d'un système de stockage d'énergie à décharge rapide et à charge continue est nécessaire. L'un des défis du fonctionnement à grande vitesse des batteries lithium-métal est la production de chaleur, qui augmente la température de la batterie, accélérant ainsi son vieillissement. D'autre part, la morphologie et la recyclabilité de l'anode de lithium dépendent de la densité de courant du décapage et du placage.

Le volume de la batterie change. Tout d'abord, le dépôt et la dissolution du lithium sans matrice entraînent une expansion et une contraction périodiques de l'anode de lithium et de l'ensemble de la batterie pendant la charge et la décharge. Une variation de l'anode au lithium entraîne une variation du volume de l'ensemble de la batterie d'environ 15%. Avec l'augmentation de l'épaisseur de la cathode et de l'excès de lithium, ce changement de volume relatif diminue. Afin d'appliquer la technologie des batteries lithium-métal aux véhicules électriques, le bloc-batterie doit être correctement conçu pour s'adapter à ce changement périodique du volume de la batterie.

Expansion des piles à sacs dans différents électrolytes

Expansion des piles en sacs dans différents électrolytes. Un autre problème est l'expansion irréversible de la batterie après un long cycle. La cause principale est la croissance d'une structure de lithium en poudre lâche formée par l'accumulation de SEI et de particules de lithium "mortes" isolées par le SEI, qui est le résultat de la réaction continue irréversible du lithium et de l'électrolyte.

Résultat d'une réaction continue irréversible entre le lithium et l'électrolyte

Sécurité

La sécurité incendie des batteries au lithium métal est une considération majeure pour les véhicules électriques. Les batteries au lithium métal à haute densité énergétique et à haute inflammabilité sont sensibles à diverses conditions, notamment les vibrations, les collisions, la surcharge ou la décharge excessive, les courts-circuits externes, les températures élevées, etc.

Des conditions abusives déstabilisent la structure et provoquent des courts-circuits internes, déclenchant une réaction en chaîne et conduisant à un emballement thermique, ce qui crée de graves problèmes de sécurité tels que la fumée, les jets de gaz, la combustion et même les explosions. Les défaillances spontanées de la batterie et les courts-circuits internes peuvent également entraîner des risques pour la sécurité. En outre, la formation de SEI détachés et de lithium "mort" écrasé après des cycles répétés peut également poser un problème de sécurité.

Solutions de batteries lithium-métal à haute performance en matière de sécurité pour les véhicules électriques

Les défis posés par les batteries au lithium métal proviennent principalement des changements structurels du lithium et de l'instabilité de l'interface lithium-électricité pendant la circulation. La stratégie de solution se concentre sur trois directions principales, notamment l'ingénierie de l'électrolyte, l'ingénierie de l'interface du lithium et l'ingénierie de la structure du lithium.

Ingénierie des électrolytes. Les différents électrolytes ont une stabilité différente au lithium et affectent grandement les propriétés SEI et la morphologie du dépôt de lithium, ce qui entraîne des différences significatives dans l'efficacité coulombienne cyclique et l'expansion de l'anode en lithium métal. En outre, l'électrolyte détermine la plage de température de fonctionnement du LMB, les performances de fort grossissement et la sécurité de la batterie.

Électrolyte liquéfié de lithium - anode métallique

Certains additifs à base d'halogénures de lithium, de sels de Cs et de Rb peuvent permettre un dépôt de lithium sans dendrite dans différents mécanismes de travail, ce qui améliore la sécurité. En outre, en plus des solvants conventionnels, un électrolyte liquéfié pour l'anode de lithium métal a été développé.

Circulation efficace d'anodes de lithium sans dendrites

Les batteries à l'état solide (ASSB) seront probablement plus coûteuses à fabriquer que les LMB à électrolytes liquides. C'est pourquoi le développement des ASSB à base de lithium métal n'en est qu'à ses débuts. Si vous voulez savoir ce que les sociétés de batteries à l'état solide vous pouvez cliquer sur le lien pour le découvrir.

Ingénierie des interfaces. Idéalement, le SEI sur le lithium devrait être fin et uniformément dense, très élastique, très ionique, mais peu conducteur d'électricité. Il peut résister à de grandes variations de volume et permet au Li+ de passer rapidement tout en empêchant la décomposition de l'électrolyte, ce qui permet une circulation efficace et sans dendrites de l'anode de lithium. Le SEI, qui se forme naturellement par décomposition de l'électrolyte, peut difficilement répondre à toutes ces exigences. Par conséquent, le revêtement de surface avec une couche protectrice ou un SEI artificiel sur l'anode de lithium est une méthode efficace.

Ingénierie de la structure du lithium. Pour minimiser les variations de volume dans l'électrode négative des métaux au lithium, certains collecteurs 3D ou structures principales stables avec du lithium pré-stocké ont été introduits. Augmenter la surface active de lithium du collecteur et de la structure du corps pour réduire la densité de courant locale, améliorant ainsi les performances d'agrandissement et inhibant la dendrite de lithium par l'homogénéisation du flux d'ions.

Comportement autogène du dépôt de lithium dans l'anode de la structure 3D Li-C

Stratégie d'assemblage des batteries

Pour les applications de véhicules électriques, les batteries lithium-métal sont toujours assemblées sous forme de modules, comprenant des centaines ou des milliers de batteries de grande taille. Par conséquent, un système de gestion de la batterie est nécessaire, ce qui est essentiel pour un fonctionnement sûr de la batterie. Pour les batteries au lithium métal, les chercheurs estiment que le système de gestion de la batterie devrait comprendre au moins trois fonctions, à savoir la pré-détection avancée, la gestion de la pression et la gestion thermique.

Détection préalable avancée. Les dispositifs de surveillance de l'état des batteries actuellement utilisés dans les véhicules électriques sont loin de pouvoir détecter les défaillances imminentes des batteries. Toutefois, pour les batteries à base de lithium métal, il est nécessaire de disposer d'une technologie de contrôle en ligne non destructive pour détecter les batteries sur le point de tomber en panne. La mesure de l'impédance a été proposée comme une méthode efficace, mais des études plus systématiques sont encore nécessaires.

Gestion du stress. Il a été constaté que la pression optimale dépend également de l'électrolyte. Par conséquent, la structure du bloc-batterie avec le système de gestion de la pression est conçue pour surveiller ou contrôler la pression dans la plage optimale, non seulement pour améliorer les performances de la batterie, mais aussi pour faciliter le fonctionnement sûr du bloc-batterie.

Gestion thermique. Gestion de l'emballement thermique des batteries individuelles et des ensembles de batteries afin de prévenir les risques potentiels pour la sécurité des batteries ou des ensembles de batteries pendant leur stockage ou leur fonctionnement. La recherche et le développement portent principalement sur la distribution de la température, les capteurs, le transfert de chaleur et le contrôle du système de gestion de la batterie, etc.

Résumé et perspectives

Les batteries lithium-métal à haute énergie devraient être utilisées dans les véhicules électriques à longue autonomie et à faible coût, mais elles sont confrontées à de sérieux défis pour atteindre une longue durée de vie, une faible variation de volume, une sécurité élevée et un fonctionnement fiable à des températures extrêmes.