Quatre défis et solutions pour la densité énergétique des batteries lithium-ion

Toutefois, certains experts ont tiré la sonnette d'alarme pour les entreprises chinoises de fabrication de batteries telles que Top 100 du lithium a récemment déclaré que la densité énergétique des batteries lithium-ion existantes est proche de la limite théorique.

Le 9 novembre, lors de la conférence internationale d'échange sur les véhicules à énergie nouvelle et les batteries d'alimentation, les experts ont déclaré que le développement actuel de l'industrie chinoise des batteries au lithium est confronté à des défis majeurs dans quatre domaines : les ressources, l'énergie, la sécurité et l'environnement d'utilisation.

Quatre défis pour le développement des batteries lithium-ion

Consommation de ressources

Selon les experts, à l'heure actuelle, 0,5 kg de lithium est utilisé pour produire des batteries lithium-ion d'une puissance de 1 kW. Selon les dernières données d'enquête, les réserves mondiales de lithium métal sont d'environ 13,5 millions de tonnes (les réserves totales de ressources en lithium sont d'environ 39,5 millions de tonnes), ce qui ne peut être utilisé que pendant plus de 100 ans. Les ressources en lithium de la Chine se classent au sixième rang mondial. Les ressources sont principalement constituées de lacs salés.

La teneur en lithium est faible, le rapport entre le magnésium et le lithium est élevé et il est difficile de l'extraire. 70% de lithium dépendent des importations. On estime qu'en 2025, la capacité de production de batteries au lithium de la Chine atteindra environ 3 900 GWh, et qu'elle devrait nécessiter environ 390 000 tonnes de lithium métal.

La densité énergétique des batteries lithium-ion s'est approchée de la limite théorique

La densité énergétique de la batterie est liée au principe de la batterie. Par exemple, la densité énergétique de la batterie lithium-ion est liée au poids et à la densité du faisceau d'électrons réactifs, le matériau actif. Les experts affirment que la densité énergétique actuelle des batteries lithium-ion approche de sa limite.

Il est entendu que la densité énergétique des batteries lithium-phosphate de fer actuelles est inférieure à 200 Wh/kg, et que la densité énergétique des batteries ternaires au lithium se situe entre 200 et 300 Wh/kg. La densité énergétique des batteries lithium-ion est loin de répondre aux besoins des développements majeurs, ce qui limite leur application dans de multiples scénarios. Pour améliorer la vitesse et la portée d'équipements tels que les batteries de drones, il est nécessaire d'augmenter considérablement la densité d'énergie et de puissance des batteries.

Il convient de mentionner que le mois dernier, la NASA a annoncé qu'elle avait réussi à mettre au point une batterie à l'état solide à base de soufre et de sélénium. L'électrolyte utilise du soufre bon marché et facilement disponible, ne contient pas de liquide et la densité énergétique de la batterie atteint 500 Wh/kg. Cela représente environ le double de la taille de l'actuelle batterie cylindrique au lithium-ion Tesla 4680. La NASA a annoncé que cette technologie serait appliquée à l'avenir aux avions électriques.

Les accidents liés à la sécurité des batteries lithium-ion sont fréquents

Les batteries lithium-ion sont sujettes à l'emballement thermique. Les raisons habituelles sont la production de gaz induite par la surcharge dans le matériau de la cathode de la batterie, qui provoque l'emballement thermique de la batterie. batterie gonfléeLa charge rapide permet de provoquer la précipitation du lithium dans l'anode de la batterie et d'induire un court-circuit, et la charge rapide permet de chauffer rapidement l'électrolyte liquide et de le brûler.

Environnement d'utilisation limitée de la batterie

Dans un environnement à basse température, la viscosité de l'électrolyte de la batterie lithium-ion augmente, la vitesse de migration des ions devient plus lente et l'énergie de charge et de décharge diminue fortement. Dans des conditions de température élevée, les films d'interface positifs et négatifs de la batterie sont instables, ce qui entraîne la destruction de la structure du matériau, la production de gaz et l'explosion. Dans les scénarios d'application tels que l'espace et la mer profonds, les batteries doivent avoir une plage de température plus élevée et plus large.

L'innovation dans la technologie des piles au lithium

Par conséquent, compte tenu des quatre défis majeurs que sont les ressources, l'énergie, la sécurité et les environnements extrêmes, les experts ont déclaré que, du point de vue de l'innovation technologique, ils doivent être résolus à quatre niveaux : les matériaux, les interfaces, la transmission et les systèmes.

Matériaux

Premièrement, améliorer la densité énergétique du système de batteries, notamment en construisant des batteries de grande capacité. batterie haute tension des cathodes et des anodes basse tension à haute capacité. La sélection des matériaux cathodiques se fera de l'oxyde de cobalt de lithium au phosphate de fer de lithium, aux matériaux ternaires à forte teneur en nickel, et enfin aux éléments soufrés et oxygénés. En ce qui concerne le choix des matériaux d'anode, on passera du graphite existant au silicium et enfin au lithium métal. Toutefois, l'utilisation d'anodes en lithium métal et de cathodes à haute tension pose également des problèmes de sécurité.

Pour l'électrode négative en lithium métal, la capacité spécifique théorique du lithium est très élevée, pouvant atteindre 3000mAh/g, mais il est facile de former des dendrites de lithium en cours d'utilisation, de percer le séparateur de la batterie et de former un court-circuit de la batterie. Cependant, le matériau à haute tension et à haute capacité spécifique de l'électrode positive est instable, et la structure du matériau de l'électrode à haute tension est facilement endommagée, et en même temps, l'électrolyte est décomposé.

Interfaces

Les experts ont déclaré que le lithium métal n'est pas seulement un domaine de recherche fondamentale, mais que l'industrie a également fait de nombreuses tentatives expérimentales, telles que la construction de films SEI artificiels, la construction d'électrodes négatives métalliques à structure tridimensionnelle et la régulation de l'interface entre les électrodes de lithium métal et les électrolytes, améliorant ainsi la durée de vie des batteries.

L'objectif ultime est d'ajouter des additifs pour contrôler le processus de croissance du matériau afin qu'il ne se transforme pas en dendrites, mais la recherche et le développement dans ce domaine sont très difficiles et doivent être développés vigoureusement. En ce qui concerne les matériaux cathodiques, il est nécessaire d'ajuster la structure de surface des matériaux cathodiques en couches afin de renforcer le processus de transport des ions lithium et d'améliorer ainsi de manière significative la densité énergétique et la densité de puissance des batteries lithium-ion.

Transfert

Afin d'améliorer encore les performances de sécurité de la batterie, la recherche actuelle comprend également le renforcement du processus de "trois transferts" dans la batterie lithium-ion. Il s'agit notamment de renforcer le canal de transport des ions lithium et de maintenir la stabilité structurelle du matériau à l'échelle microscopique. Renforcer les canaux de transport des électrons et maintenir le réseau conducteur des électrodes et des batteries. Renforcer le transfert de chaleur de la batterie et supprimer l'emballement thermique de la batterie.

Systèmes

En ce qui concerne les piles au lithium de la prochaine génération, les experts ont présenté des technologies telles que les piles au lithium-soufre, les piles au lithium-air et les piles au lithium-fluorocarbone. En ce qui concerne les perspectives de la prochaine génération de batteries non lithium, les experts privilégient également les batteries sodium-ion. Le sodium se classe au sixième rang des réserves terrestres et possède des propriétés chimiques similaires à celles du lithium. Toutefois, en raison du rayon atomique plus grand du sodium et du potentiel électrochimique plus faible, les batteries sodium-ion présentent des inconvénients inhérents par rapport aux batteries lithium-ion en termes de densité énergétique.

Le développement des batteries sodium-ion nécessite des percées dans le domaine des nouveaux matériaux pour le stockage du sodium et des nouveaux électrolytes. À l'heure actuelle, certains matériaux traditionnels à base de carbone dur pour l'anode ont été industrialisés, et des oxydes en couches pour la cathode ainsi que des matériaux à base de bleu de Prusse sont également apparus sur le marché. Mais les batteries sodium-ion doivent encore améliorer leurs performances, réduire leurs coûts et pouvoir être utilisées à grande échelle comme les batteries lithium-ion.