Les huit dernières tendances de développement de l'industrie des piles au lithium

Bien que les batteries au lithium-ion présentent des avantages que les autres batteries ne peuvent égaler, elles ne sont toujours pas capables de fonctionner avec les batteries au lithium-ion existantes. C'est pourquoi le développement de nouvelles batteries lithium-ion à densité énergétique plus élevée est devenu la tâche la plus urgente de l'industrie des batteries au lithium. Cet article nous permettra de comprendre les derniers développements dans l'industrie des batteries au lithium.

Batterie lithium-ion à l'état solide

L'électrolyte de la batterie lithium-ion commerciale actuelle est liquide, c'est pourquoi elle est également appelée batterie lithium-ion liquide. En termes simples, une batterie lithium-ion à l'état solide signifie que tous les composants de la structure de la batterie existent sous forme solide, remplaçant l'électrolyte liquide et le diaphragme d'une batterie lithium-ion traditionnelle par un électrolyte à l'état solide.

Par rapport aux batteries lithium-ion liquides, les électrolytes entièrement solides présentent les avantages suivants :
● Haute sécurité/excellente stabilité thermique, peut fonctionner normalement à 60-120°C pendant une longue période ;
● Large fenêtre électrochimique, peut atteindre plus de 5V, peut correspondre aux matériaux à haute tension ;
● Conduisent uniquement les ions lithium mais pas les électrons ;
● Système de refroidissement simple et densité énergétique élevée ;
● Il peut être appliqué dans le domaine des batteries flexibles ultra-minces.

Mais les inconvénients sont également évidents : la conductivité ionique par unité de surface est faible, et la puissance spécifique est médiocre à température ambiante ; le coût est extrêmement élevé ; il est difficile de produire industriellement des batteries de grande capacité.

Les performances des matériaux d'électrolyte déterminent en grande partie la densité de puissance, la stabilité du cycle, les performances en matière de sécurité, les performances à haute et basse température et la durée de vie des batteries lithium-ion à l'état solide. Les électrolytes solides peuvent être divisés en deux catégories : les électrolytes polymères et les électrolytes inorganiques. Batterie à semi-conducteurs est reconnue comme une technologie de batterie innovante pour la prochaine génération de développement clé. On pense que dans un avenir proche, la technologie deviendra de plus en plus mature et que ces problèmes seront résolus.

Batterie à matériaux ternaires à haute densité énergétique

Avec la recherche de la densité énergétique des batteries, les matériaux cathodiques ternaires ont attiré de plus en plus d'attention. Le matériau cathodique ternaire présente les avantages d'une capacité spécifique élevée, d'une bonne performance cyclique et d'un faible coût. Il s'agit généralement d'une structure en couches d'oxyde de nickel-cobalt-lithium-manganèse. En augmentant la tension de la batterie et la teneur en nickel du matériau, la densité énergétique du matériau cathodique ternaire peut être augmentée de manière efficace.

Une autre façon d'augmenter la densité énergétique des matériaux ternaires est d'augmenter la teneur en nickel du matériau. D'une manière générale, les matériaux cathodiques ternaires à forte teneur en nickel se réfèrent à la fraction molaire de nickel dans le matériau qui est supérieure à 0,6. Ces matériaux ternaires présentent les caractéristiques d'une capacité spécifique élevée et d'un faible coût, mais ont une faible rétention de capacité et une mauvaise stabilité thermique.

Les performances de ce matériau peuvent être améliorées efficacement en améliorant le processus de préparation. La taille et la morphologie des micro-nanos ont une grande influence sur les performances des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel. Par conséquent, la plupart des méthodes de préparation actuelles se concentrent sur une dispersion uniforme afin d'obtenir des particules sphériques de petite taille et de grande surface spécifique.

Anode en carbone silicium à haute capacité

En tant qu'élément important des batteries lithium-ion, les matériaux d'anode affectent directement des indicateurs clés tels que la densité énergétique, la durée de vie, la sécurité et les performances de la batterie. Le silicium est actuellement reconnu comme le matériau d'anode pour les batteries lithium-ion ayant la capacité spécifique la plus élevée.

Toutefois, en raison de son effet de volume supérieur à 300%, le matériau de l'électrode de silicium sera pulvérisé et décollé du collecteur de courant pendant la charge et la décharge, de sorte que le contact électrique entre le matériau actif et le matériau actif, et entre le matériau actif et le collecteur de courant, sera perdu.

En même temps, une nouvelle couche d'électrolyte solide SEI se forme continuellement, ce qui conduit finalement à la détérioration de la performance électrochimique. Afin de résoudre ce problème, les chercheurs ont effectué de nombreuses explorations et tentatives, parmi lesquelles les matériaux composites silicium-carbone sont des matériaux prometteurs.

En tant que matériau d'anode des batteries lithium-ion, les matériaux en carbone présentent de faibles variations de volume pendant la charge et la décharge, une bonne stabilité de cycle et une excellente conductivité, c'est pourquoi ils sont souvent utilisés en combinaison avec le silicium. Le composite silicium-carbone est utilisé, et la porosité des matériaux en carbone est utilisée pour limiter et tamponner l'expansion du volume des centres actifs en silicium, empêcher l'agglomération des particules, empêcher l'électrolyte de pénétrer dans le centre, et maintenir la stabilité de l'interface et de la pellicule SEI.

Matériaux riches en lithium à haute tension et à haute capacité

La base de manganèse riche en lithium a une capacité spécifique de décharge élevée, qui est environ deux fois supérieure à la capacité réelle des matériaux cathodiques actuellement utilisés, et est donc largement utilisée dans les matériaux pour batteries au lithium. En outre, comme le matériau contient une grande quantité d'éléments Mn, il est plus respectueux de l'environnement, plus sûr et moins cher que le LiCoO2 et les matériaux ternaires. Par conséquent, les matériaux à base de manganèse riche en lithium sont considérés par de nombreux chercheurs comme un choix idéal pour la prochaine génération de matériaux de cathode de batterie lithium-ion.

À l'heure actuelle, la méthode de co-précipitation est principalement utilisée pour préparer des matériaux à base de manganèse riche en lithium. Bien que ce matériau ait une capacité spécifique élevée, son application pratique pose encore quelques problèmes. Les problèmes susmentionnés des matériaux à base de manganèse riche en lithium peuvent être résolus en adoptant des mesures telles que le revêtement d'oxyde métallique, le mélange avec d'autres matériaux de cathode, le traitement de surface, la structure spéciale et le traitement de précharge et de décharge à faible limite supérieure de tension.

Électrolyte résistant à la haute tension

Bien que les matériaux des piles au lithium à haute tension fassent l'objet d'une attention croissante, dans la production et l'application réelles, ces matériaux de cathode à haute tension n'obtiennent toujours pas de bons résultats. Le principal facteur limitant est la faible fenêtre de stabilité électrochimique des électrolytes à base de carbonate. Le développement d'un système d'électrolyte capable de résister à une tension élevée est devenu un élément important de la promotion de l'application pratique de ce nouveau matériau.

L'amélioration de la stabilité de l'interface électrode/électrolyte par le développement et l'application de nouveaux systèmes d'électrolyte haute tension ou d'additifs formant un film haute tension est un moyen efficace de développer des électrolytes haute tension. Les additifs destinés à améliorer la capacité de tension de l'électrolyte comprennent généralement des additifs contenant du bore, du phosphore organique, du carbonate, du soufre, des liquides ioniques et d'autres types d'additifs.

Séparateur résistant aux hautes températures

Le lithium séparateur de batterie joue principalement le rôle de conducteur des ions lithium et d'isolateur du contact électronique entre la cathode et l'anode dans la batterie lithium-ion. Il s'agit d'un composant important qui permet à la batterie de mener à bien le processus électrochimique de charge et de décharge.

Pendant l'utilisation des piles au lithium, lorsque la pile est surchargée ou que la température augmente, le séparateur doit avoir une stabilité thermique suffisante pour isoler efficacement le contact entre les électrodes positives et négatives de la pile et éviter les accidents tels que les courts-circuits, l'emballement thermique ou même l'explosion.

Les séparateurs en polyoléfine actuellement largement utilisés ont des points de fusion et des températures de ramollissement bas, ce qui ne permet pas de garantir efficacement la sécurité des piles, tandis que leur faible porosité et leur faible énergie de surface limitent les performances des piles en termes de taux. Il est donc très important de développer vigoureusement des séparateurs résistants aux hautes températures et très sûrs.

Batterie au lithium-soufre

Une batterie lithium-soufre utilise le soufre comme cathode de la batterie et le lithium métallique comme anode. La plus grande différence avec les batteries lithium-ion générales est que le mécanisme de réaction des batteries lithium-soufre est une réaction électrochimique plutôt qu'une désintercalation d'ions lithium. Le principe de fonctionnement des batteries lithium-soufre repose sur des réactions électrochimiques complexes et, jusqu'à présent, les produits intermédiaires formés pendant la charge et la décharge des électrodes au soufre n'ont pas été caractérisés de manière décisive.、

Le principal avantage des batteries lithium-soufre réside dans leur capacité spécifique théorique et leur énergie spécifique élevées, qui sont bien supérieures à celles des autres types de batteries lithium-ion largement utilisées sur le marché. De plus, en raison des réserves abondantes de soufre élémentaire, cette batterie est bon marché et respectueuse de l'environnement. Cependant, les batteries lithium-soufre présentent également certains inconvénients.

Les principales méthodes pour résoudre ces problèmes commencent généralement par deux aspects : l'électrolyte et le matériau de la cathode. En ce qui concerne l'électrolyte, l'électrolyte de l'éther est principalement utilisé comme électrolyte de la batterie, et certains additifs sont ajoutés à l'électrolyte, ce qui permet d'atténuer efficacement le problème de dissolution des composés de polysulfure de lithium. En ce qui concerne les matériaux de cathode, il s'agit principalement de combiner le soufre avec des matériaux en carbone ou de combiner le soufre avec des matières organiques, ce qui permet de résoudre les problèmes de non-conductivité et d'expansion du volume du soufre.

Batterie d'air au lithium

La batterie lithium-air est un nouveau type de batterie lithium-ion à haute capacité. La batterie utilise le métal lithium comme anode, l'oxygène de l'air comme cathode, et les deux électrodes sont séparées par un électrolyte solide. L'anode utilise un électrolyte organique et la cathode un électrolyte aqueux.

Pendant la décharge, l'anode se dissout dans l'électrolyte organique sous forme d'ions lithium, puis migre à travers l'électrolyte solide dans l'électrolyte aqueux de la cathode. Les électrons sont transportés vers la cathode à travers le fil, et l'oxygène de l'air et de l'eau réagit à la surface du carbone micronisé pour former de l'hydroxyde, qui se combine avec les ions lithium dans l'électrolyte aqueux de la cathode pour former de l'hydroxyde de lithium soluble dans l'eau.

Lors de la charge, les électrons sont transportés vers l'anode à travers le fil, et les ions lithium traversent l'électrolyte solide depuis l'électrolyte aqueux de la cathode jusqu'à la surface de l'anode, et réagissent à la surface de l'anode pour former du lithium métal. L'hydroxyde à la cathode perd des électrons pour générer de l'oxygène.

Les batteries lithium-air n'ont pas besoin d'être chargées en remplaçant la cathode et l'anode au lithium, la capacité de décharge peut atteindre 50000mAh/g, la densité énergétique est élevée, l'hydroxyde de lithium produit est facile à recycler et l'environnement est respectueux. Cependant, la stabilité du cycle, l'efficacité de la conversion et la performance du taux sont ses défauts.