Analyse de l'industrialisation de la batterie à ions fluor
Selon les médias japonais, les batteries fluor-ion sont non seulement plus récentes et plus petites que les batteries lithium-ion, mais elles ont également une densité énergétique 6 à 7 fois supérieure à celle des batteries lithium-ion et une autonomie de plus de 1 000 kilomètres. Sur la base de l'état d'avancement de la recherche sur les batteries à ions fluor, cet article analyse l'orientation future du développement des batteries à ions fluor et la valeur commerciale des batteries à ions fluor.
Comparaison entre les batteries au fluor et les batteries au lithium-ion
La production annuelle mondiale de fluor dépasse les 3,5 millions de tonnes, et le volume d'extraction est plus important que celui des ressources en lithium. De même, la distribution des ressources en fluor est plus favorable que celle des ressources en lithium. L'abondance du fluor dans la croûte terrestre est environ 50 fois supérieure à celle du lithium, et la pression sur l'approvisionnement en matières premières est beaucoup plus faible que celle des batteries lithium-ion. La chaîne industrielle du fluor est également plus mature, ce qui favorise le développement du FIB.
En outre, le fluor peut former une réaction d'oxydoréduction multi-électronique avec d'autres éléments pour produire une densité énergétique plus élevée en volume et en poids, et l'absence de phénomène de dendrite est également propice à l'amélioration de la sécurité de la batterie. L'absence de phénomène de dendrite est également propice à l'amélioration de la sécurité de la batterie. Cela semble indiquer que la batterie à ions fluor est plus conforme aux exigences sociales et à la demande du marché en tant que batterie d'énergie.
Progrès de la recherche sur les matériaux d'électrodes pour batteries à ions fluor
Du point de vue des premiers principes, les performances de tout type de batterie sont principalement déterminées par les propriétés physiques et chimiques du matériau de l'électrode, et les batteries à ions fluor ne font pas exception à la règle. Lorsque la batterie libère de l'énergie électrique, les électrons se déplacent d'un matériau ayant un niveau de Fermi élevé (anode) vers un matériau ayant un niveau de Fermi plus bas (cathode).
En même temps, les ions fluor s'échappent du matériau de l'électrode positive et se déplacent vers l'électrode négative, pour finalement s'intercaler dans le matériau de l'électrode négative afin de maintenir la charge neutre de la batterie. Lors de la conception d'une batterie à ions fluor, la densité énergétique, la réversibilité de la réaction de (dé)fluoration et la faisabilité de l'industrialisation doivent être prises en compte en premier lieu.
Pour que les performances des batteries à ions fluor dépassent globalement celles des batteries à ions lithium, les matériaux d'électrode utilisés pour les batteries à ions fluor doivent : premièrement, choisir autant que possible des matériaux à faible poids moléculaire ; deuxièmement, la différence de potentiel entre les matériaux d'électrode positive et négative doit être aussi élevée que possible dans la fenêtre électrochimique de l'électrolyte ;
Troisièmement, le matériau d'électrode doit avoir une bonne capacité d'intercalation et de désintercalation des ions fluor, de préférence le matériau présentant la plus faible variation de volume après fluoration et défluoration, afin d'atténuer les problèmes internes qui conduisent à la pulvérisation, à la perte de contact entre le matériau actif et l'électrode, et à la dégradation de l'interface électrode/électrolyte. stress ;
Quatrièmement, la matière active doit être peu ou pas soluble dans l'électrolyte pour éviter l'autodécharge et la perte de capacité ; cinquièmement, la matière active de l'électrode doit également présenter un certain degré de conductivité. Les matériaux d'électrodes ayant une bonne conductivité peuvent réduire les difficultés de traitement et la quantité d'additifs conducteurs ajoutés. Après avoir rempli les conditions ci-dessus, il est également nécessaire d'avoir un coût raisonnable et un approvisionnement fiable pour assurer la compétitivité technologique. À l'heure actuelle, la plupart des recherches sont basées sur les matériaux d'électrodes à réaction de conversion et les matériaux d'électrodes à réaction de désintercalation.
Matériaux d'électrodes basés sur des réactions de conversion : Le premier concept de batterie à ions fluor a été proposé sur la base de ce type de matériaux. Lorsque la batterie à ions fluor composée de ces matériaux est à l'état de décharge, l'électrode positive est principalement composée de métal, et l'électrode négative est composée de fluorure de métal.
Il existe de nombreux types de fluorures métalliques. Pour répondre aux exigences des batteries à ions fluor, la capacité des fluorures à conduire les ions fluor doit d'abord être prise en compte. Parmi les nombreux fluorures métalliques, deux types de matériaux méritent l'attention. Lorsque la température augmente, la conductivité des ions fluor est plus élevée, principalement les fluorures de métaux alcalins cubiques, tels que CaF2, BaF2 et SrF2 ;
L'autre type est basé sur la structure de l'ilménite avec le groupe de points P3c1. Ce type de matériau est principalement composé de fluorures de terres rares tels que LaF3, CeF3 et NdF3. En général, la conductivité des ions fluorure dans le matériau peut être augmentée par le dopage d'ions métalliques.
En fonction du potentiel, ces matériaux sont généralement utilisés comme matériaux d'électrode négative pour les batteries à ions fluor, parmi lesquels le CaF2 est considéré comme un matériau d'électrode négative potentiel pour des raisons de potentiel et de coût. Il existe relativement peu de matériaux d'électrodes positives pouvant être utilisés dans les batteries à ions fluor. À ce stade, peu de matériaux d'électrodes négatives présentent une conductivité élevée des ions fluor.
Il a été démontré que la solution solide formée par l'introduction de BiF3 dans le PbF2 présente une conductivité ionique élevée, et les matériaux d'électrode positive généralement étudiés sont principalement NiF2, FeF3, SnF4, CuF2, PbF2, BiF3, etc.
Parmi eux, le CuF2 est celui qui a fait l'objet du plus grand nombre de recherches. Récemment, des progrès ont été réalisés dans la recherche sur les fluorures de Ni et de Co. La durée de vie de la batterie complète dans la batterie au fluorure à l'état solide à 150 °C dépasse la durée de vie du CuF2 en tant que matériau d'électrode positive. Certains rapports de recherche ont montré que pour maintenir une bonne performance de cycle de la batterie complète, la densité de courant de la batterie est généralement extrêmement faible.
Matériaux d'électrodes basés sur des réactions de désintercalation : Ce type de matériau attire de plus en plus l'attention en raison de son potentiel d'électrode positif élevé et de sa faible variation de volume. Les réactions de désintercalation présentent généralement une conductivité ionique et une durée de vie supérieures à celles des réactions de conversion.
Une température élevée (140-200 °C) est généralement nécessaire pour renforcer la réaction de désintercalation des ions fluorure dans la phase solide, et la réaction d'intercalation du fluorure a été démontrée expérimentalement dans tous les systèmes de traitement de l'eau. batterie à l'état solide. Cependant, certains rapports ont démontré que certains matériaux peuvent également réaliser la réaction de désintercalation des ions fluorure à température ambiante.
Par rapport aux composés convertis, rien n'indique clairement que les composés défluorés seraient moins compatibles avec les électrolytes liquides dans une gamme de potentiels raisonnable. Toutefois, à des potentiels élevés, le fluorure incorporé dans le réseau d'oxyde de la cathode peut poser des problèmes de sécurité en raison du risque de libération d'oxygène et de décomposition exothermique.
Progrès de la recherche sur l'électrolyte des batteries à ions fluor : En fait, l'électrolyte solide utilisé dans les batteries à ions fluor présente de nombreux problèmes en dehors de l'interface solide-solide. Tout d'abord, des températures élevées (>140°C) sont souvent nécessaires pour fonctionner, et même à ces températures, ils présentent une conductivité ionique relativement faible ; deuxièmement, les électrolytes solides sont fondamentalement peu compatibles avec la plupart des matériaux de conversion ;
Troisièmement, la densité élevée de l'électrolyte solide réduit considérablement l'énergie spécifique de la batterie solide, telle que La0.9Ba0.1F2.9 remplaçant l'électrolyte liquide, ce qui réduit la densité énergétique de la batterie d'environ 42%-46%, même si une couche d'électrolyte solide fonctionnelle d'une épaisseur de 20 mm pouvait être fabriquée, sa densité énergétique serait toujours inférieure de près de 35% à celle d'une batterie liquide similaire.
La recherche sur l'électrolyte de la batterie à ions fluor devrait se concentrer sur l'amélioration de l'électrolyte liquide, et la recherche sur l'électrolyte liquide de la batterie à ions fluor devrait se concentrer sur l'élimination de l'influence de l'hydrogène, à en juger par la recherche actuelle, aucune bonne solution n'a été trouvée. En même temps, l'amélioration de l'effet de solvatation des ions fluor réduit également la conductivité des ions fluor. Certains chercheurs ont proposé de développer des électrolytes liquides de fluorure optimisés en utilisant des acides de Lewis plus faibles comme additifs de solvatation F combinés à des stratégies de formation SEI.
Évaluation technique et économique de la batterie à ions fluor
La batterie à ions fluor est vantée pour sa densité énergétique volumétrique et gravimétrique théoriquement élevée. Certains chercheurs ont effectué une analyse économique de cette technologie en construisant un modèle et ont comparé la batterie à ions fluor basée sur la réaction de conversion et le type intégré avec la batterie LIB. Le modèle montre que la batterie à ions fluor basée sur la réaction de conversion peut atteindre une densité énergétique plus élevée que la batterie lithium-ion NMC811, tout en étant potentiellement moins coûteuse. Pour atteindre cet objectif, il est essentiel de développer avec succès un électrolyte liquide à base d'ions fluor.
Par rapport à la réaction de conversion, la batterie basée sur l'ion fluor incorporé n'a pas d'avantage en termes de densité énergétique, et la densité énergétique de la batterie à ion fluor utilisant ce type de matériau dans le projet ne dépassera pas 292Wh.kg -1. Les futures batteries à ions fluor basées sur des réactions de désintercalation pourraient constituer une alternative moins coûteuse aux batteries lithium-ion ; cependant, si le coût de l'électrolyte dépasse $33/kg, elles ne seront pas du tout rentables.
Conclusion
En théorie, en tant que technologie de stockage avec une densité énergétique plus élevée, la batterie à ions fluor a de bonnes perspectives de développement. Le remplacement du lithium par le fluor peut réduire considérablement le coût de la technologie de stockage de l'énergie en utilisant des matériaux plus abondants. Du point de vue de la technologie et de l'économie, la batterie FIB basée sur la conversion est proche de la batterie au lithium en termes de densité énergétique et présente un grand avantage en termes de coût.
Toutefois, la commercialisation de cette batterie attrayante à ions fluor dépend en fin de compte de la commercialisation d'électrolytes liquides à base de fluor. Les recherches futures sur les batteries à ions fluor devraient principalement se concentrer sur le développement d'électrolytes liquides sûrs. À en juger par les recherches actuelles, ce type d'électrolyte liquide pouvant être utilisé pour les batteries à ions fluor en est encore au stade de la recherche, et aucune percée n'a été réalisée. On peut prédire que la commercialisation de la batterie à ions fluor a encore un long chemin à parcourir.
Pour plus de comparaisons entre les nouvelles technologies de batteries et les batteries au lithium, veuillez vous référer à Batterie au lithium ou au sodium, Batterie à l'état solide ou au lithium articles.
