Combien de types de piles au lithium existe-t-il ?

SONY a commercialisé les batteries lithium-ion en 1991, sur la base des travaux de John Goodenough, professeur à l'université du Texas à Austin.

Jusqu'à présent, plusieurs types de piles au lithium ont été développés au cours des 30 dernières années, et ces différents types ont des performances différentes, avec quelques petites différences.

Avant de présenter les principaux types de batteries au lithium disponibles sur le marché, nous allons d'abord aborder quelques connaissances de base sur les batteries au lithium-ion, telles que le principe de fonctionnement, les avantages et la composition des batteries au lithium-ion.

Nous espérons qu'après avoir lu cet article, vous serez en mesure de choisir les piles au lithium les mieux adaptées en fonction des caractéristiques des différents types de piles au lithium.

Comment fonctionnent les batteries lithium-ion ?

Comment fonctionnent les batteries lithium-ion ? En fait, tous les types de batteries au lithium, comme n'importe quelle autre batterie, doivent recueillir des fluides, et des ions sont transférés entre la cathode et l'anode lorsqu'elles sont chargées et déchargées. Dans les batteries lithium-ion, le flux d'énergie se forme pendant la charge et la décharge.

Pendant la charge, les ions lithium sont retirés de la cathode et incorporés dans l'anode à travers l'électrolyte. Pendant la décharge, les ions lithium sont retirés de l'anode et incorporés dans la cathode à travers l'électrolyte.

Les batteries lithium-ion se chargent et se déchargent à l'inverse du sens commun : lorsqu'elles se déchargent, les ions sont transférés de l'anode à la cathode.

Les ions lithium pénètrent dans l'électrolyte à partir du matériau de la cathode, traversent le diaphragme, puis pénètrent dans l'électrolyte et enfin dans l'anode à partir de l'électrolyte. Ce processus crée une différence de tension entre la feuille de cuivre de l'anode et le collecteur de la cathode.

Avantages des batteries lithium-ion

Densité énergétique élevée

En raison de leur densité énergétique élevée, les piles au lithium sont en passe de devenir la meilleure source d'énergie pour les petits appareils électroniques.

Cela signifie que les batteries lithium-ion ont besoin d'environ la moitié de la taille et du poids des batteries Nimh pour fournir la même quantité d'énergie. Dans le cas des sources d'énergie mobiles, telles que les téléphones et les ordinateurs portables, une densité énergétique élevée signifie une plus longue durée de fonctionnement.

Tension de fonctionnement élevée

Par rapport aux batteries à base de nickel et aux batteries plomb-acide, les batteries lithium-ion ont une tension de fonctionnement plus élevée. En général, la tension de fonctionnement des batteries nickel-hydrure métallique et nickel-cadmium est de 1,2~1,5 V, alors que celle des batteries lithium-ion est de 3,2~3,8 V.

Une tension de fonctionnement élevée signifie que pour obtenir la même tension d'assemblage, la batterie lithium-ion a besoin de moins de cellules. Par exemple, pour assembler un module de 350V, une batterie nimH nécessite environ 292 cellules (350V / 1,2V =292), alors qu'une batterie lithium-ion ne nécessite que 98 cellules (350V / 3,6V =98).

Faible taux d'autodécharge

Outre leur tension et leur densité énergétique élevées, les batteries lithium-ion ont également un faible taux d'autodécharge. En d'autres termes, les batteries lithium-ion perdent beaucoup moins de capacité que les autres batteries après une période de stockage.

Selon les types de piles au lithium, le taux d'autodécharge moyen est d'environ 1% à 5% par mois. La perte de capacité est divisée en deux types : la perte de capacité réversible et la perte de capacité permanente.

La perte de capacité réversible peut être récupérée par la charge, alors que la perte de capacité permanente ne peut pas l'être. Presque tous les types de piles au lithium présentent une perte de capacité réversible et permanente.

Durée de vie élevée

En outre, les batteries lithium-ion ont une très bonne durée de vie par rapport aux autres batteries. Les batteries plomb-acide ont une durée de vie d'environ 300 à 500 cycles de charge/décharge, alors que les batteries lithium-ion ont des milliers de cycles.

Si la batterie n'utilise que 80% de son énergie totale à chaque fois, les batteries lithium-ion peuvent avoir une durée de vie de plusieurs milliers de cycles. Ainsi, les batteries lithium-ion peuvent avoir une durée de vie de plusieurs milliers de cycles. remplacement des piles au lithium par des piles au plomb est devenu un choix courant pour de nombreux fabricants d'appareils électriques.

Composition des cellules de batteries lithium-ion

Le cœur de la batterie lithium-ion est constitué de seulement cinq parties, et il y a environ 10 à 20 types de matériaux liés au cœur.

La batterie comprend une cathode, une anode et un collecteur de fluide correspondant, séparés par un diaphragme entre la cathode et les anodes, et ses principaux composants sont le polypropylène et le polyéthylène.

Les matériaux de l'anode et de la cathode sont enduits sur le liquide collecteur et le diaphragme est serti ou laminé pour former un noyau de bobine, puis placé dans l'enveloppe métallique ou le film plastique, et après l'injection d'électrolyte et d'autres processus, l'enveloppe métallique ou le film plastique est complètement scellé, et peut alors passer au processus de cellule suivant.

Types de piles au lithium

On parle souvent de piles au lithium ternaires ou de piles au lithium ferriques. Ces types de piles au lithium sont donc nommés d'après le matériau actif de la cathode.

Cet article résume les six types de piles au lithium les plus courants et énumère les paramètres de performance de ces différents types de piles au lithium.

Comme nous le savons tous, la même ligne technique de la cellule, ses paramètres spécifiques ne sont pas exactement les mêmes, ce document montre les paramètres actuels du niveau général.

Les six types de piles au lithium comprennent les piles NMC, les piles NCA, les piles LFP, les piles LTO, les piles LMO et les piles LCO. Ce tableau résume le prix, les performances électrochimiques et les types de piles au lithium.

Cobaltate de lithium (LiCoO2)

Son énergie spécifique élevée fait du cobaltate de lithium l'un des types de piles au lithium les plus populaires pour les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les appareils photo numériques. Les inconvénients du cobaltate de lithium sont une durée de vie relativement courte, une faible stabilité thermique et une capacité de charge (puissance spécifique) limitée.

Comme d'autres batteries lithium-ion à mélange de cobalt, le cobaltate de lithium utilise une anode en graphite, et sa durée de vie est principalement limitée par l'interface électrolyte solide (SEI), qui se manifeste principalement par l'épaississement progressif du film SEI, et par le problème du placage du lithium de l'anode lors de la charge rapide ou de la charge à basse température.

Les systèmes de matériaux plus récents ajoutent du nickel, du manganèse et/ou de l'aluminium pour améliorer la durée de vie, la capacité de charge et le coût. Le cobalate de lithium donne de bons résultats à une énergie spécifique élevée, mais n'offre que des performances médiocres en termes de caractéristiques de puissance, de sécurité et de durée de vie.

Manganate de lithium (LiMn2O4)

Les batteries à l'oxyde de manganate de lithium spinelle ont été publiées pour la première fois dans des rapports de recherche sur les matériaux en 1983. En 1996, Moli Energy a commercialisé des batteries lithium-ion avec du manganate de lithium comme matériau de cathode.

La structure forme une structure spinelle tridimensionnelle qui améliore le flux d'ions à travers l'électrode, réduisant ainsi la résistance interne et améliorant la capacité de transport du courant. Un autre avantage du spinelle est sa grande stabilité thermique, sa sécurité accrue, mais sa durée de vie limitée en termes de cycles et de calendriers.

La faible résistance de la batterie permet une charge rapide et une décharge à courant élevé. Le modèle 18650 de batterie au manganate de lithium peut être chargé à un courant de 20-30A, avec une accumulation de chaleur modérée, et la température de la batterie ne peut pas dépasser 80℃.

Le manganate de lithium est utilisé dans les outils électriques, les appareils médicaux et les véhicules hybrides et électriques. La capacité du manganate de lithium est inférieure d'environ un tiers à celle du cobaltate de lithium. La souplesse de conception permet aux ingénieurs de choisir entre l'optimisation de la durée de vie de la batterie et l'augmentation du courant de charge maximal ou de la capacité.

Les piles au manganate de lithium pur ne sont plus courantes parmi tous les types de piles au lithium aujourd'hui ; elles ne sont utilisées que dans des cas particuliers.

La plupart des manganates de lithium sont mélangés à de l'oxyde de nickel-manganèse-cobalt (NMC) pour améliorer l'énergie spécifique et prolonger la durée de vie. Cette combinaison permet d'obtenir les meilleures performances de chaque système, et la plupart des véhicules électriques, tels que la Nissan Leaf, la Chevrolet Volt et la BMW I3, utilisent le LMO(NMC).

La partie LMO de la batterie peut atteindre environ 30%, ce qui permet de fournir un courant élevé pendant l'accélération ; la partie NMC offre un kilométrage important.

La recherche sur les batteries lithium-ion tend à combiner le manganate de lithium avec du cobalt, du nickel, du manganèse et/ou de l'aluminium en tant que matériaux actifs pour la cathode. Dans certaines architectures, une petite quantité de silicium est ajoutée à l'anode.

Cependant, le silicium se dilate et se contracte lorsqu'il est chargé et déchargé, ce qui provoque des contraintes mécaniques, et les augmentations de capacité sont souvent étroitement associées à des durées de vie courtes.

Lithium nickel-cobalt manganate (NMC)

L'un des types de piles au lithium les plus performants est la combinaison cathodique nickel-manganèse-cobalt (NMC). Comme le manganate de lithium, elle peut être personnalisée pour être utilisée comme batterie d'énergie ou de puissance.

Par exemple, la NMC d'une batterie 18650 dans des conditions de charge moyenne a une capacité d'environ 2 800 mAh et peut fournir un courant de décharge de 4 à 5 A. Le même type de NMC, lorsqu'il est optimisé pour une puissance spécifique, a une capacité de seulement 2 000 mAh, mais peut fournir un courant de décharge continu de 20 A.

L'anode en silicium peut atteindre plus de 4 000 mAh, mais la capacité de charge est réduite et la durée de vie du cycle est plus courte. Le silicium ajouté au graphite présente un défaut qui provoque l'expansion et la contraction de l'anode lorsqu'elle est chargée et déchargée, ce qui rend la cellule structurellement instable en raison des fortes contraintes mécaniques.

Le secret du NMC réside dans la combinaison du nickel et du manganèse. Il en va de même pour le sel de table, dont les principaux ingrédients, le sodium et le chlorure, sont toxiques en soi, mais sont combinés pour servir de sels aromatisants et de conservateurs alimentaires.

Le nickel est réputé pour son énergie spécifique élevée, mais sa stabilité est médiocre. La structure spinelle du manganèse permet d'obtenir une faible résistance interne mais une faible énergie spécifique. Les deux métaux actifs se complètent.

La NMC est le choix populaire parmi les différents types de batteries au lithium pour les outils électriques, les vélos électriques et d'autres systèmes d'alimentation électrique. La combinaison de cathodes est généralement composée d'un tiers de nickel, d'un tiers de manganèse et d'un tiers de cobalt, également connue sous le nom de 1-1-1.

Il en résulte un mélange unique qui réduit également le coût des matières premières en raison de la faible teneur en cobalt. Une autre combinaison réussie est le NCM, qui contient 5 parties de nickel, 3 parties de cobalt et 2 parties de manganèse (5-3-2). D'autres combinaisons de matériaux cathodiques en différentes quantités peuvent également être utilisées.

En raison du coût élevé du cobalt, fabricants de batteries lithium-ion sont passés du cobalt au nickel. Les systèmes à base de nickel ont des densités énergétiques plus élevées, des coûts plus faibles et des durées de vie plus longues que les batteries à base de cobalt, mais ils ont des tensions légèrement inférieures.

Les nouveaux électrolytes et additifs peuvent augmenter la charge d'une seule batterie à plus de 4,4 V. En raison de la bonne économie et des performances globales du système, la batterie lithium-ion hybride NMC attire de plus en plus l'attention.

Les trois matériaux actifs, le nickel, le manganèse et le cobalt, peuvent être facilement mélangés pour répondre à une large gamme d'applications dans les automobiles et les systèmes de stockage d'énergie qui nécessitent un recyclage fréquent. Les divers types de batteries au lithium qui utilisent des cathodes combinant le NMC sont de plus en plus nombreux.

Phosphate de fer lithié (LiFePO4)

En 1996, l'université du Texas a découvert que le phosphate était un matériau de cathode pour les batteries lithium-ion rechargeables. Le phosphate de lithium présente de bonnes performances électrochimiques et une faible résistance.

Ce résultat est obtenu grâce à des matériaux cathodiques à base de phosphate à l'échelle nanométrique. Les principaux avantages sont un courant nominal élevé et une longue durée de vie ; une bonne stabilité thermique, une sécurité accrue et une tolérance aux abus.

S'il est maintenu à des tensions élevées pendant de longues périodes, le phosphate de lithium résiste mieux à toutes les conditions de charge et est moins sollicité que les autres types de batteries au lithium. L'inconvénient est que la tension nominale plus faible de la batterie de 3,2 V rend l'énergie spécifique inférieure à celle de la batterie lithium-ion dopée au cobalt.

Pour la plupart des types de piles au lithium, les basses températures dégradent les performances et les températures de stockage plus élevées réduisent la durée de vie, et le phosphate de lithium ne fait pas exception à la règle. Le phosphate de lithium a un taux d'autodécharge plus élevé que les autres types de piles au lithium, ce qui peut entraîner un vieillissement et donc des problèmes d'équilibre.

Il est possible d'y remédier en choisissant des batteries de haute qualité ou en utilisant des systèmes de gestion de batterie avancés, mais ces deux méthodes augmentent le coût du bloc-batterie.

La durée de vie des piles est très sensible aux impuretés présentes dans le processus de fabrication et ne résiste pas au dopage à l'eau, certaines piles ayant une durée de vie minimale de 50 cycles en raison des impuretés de l'eau.

Le phosphate de lithium est couramment utilisé à la place des batteries de démarrage au plomb. Quatre batteries en série produisent 12,80 V, soit une tension similaire à celle de six batteries au plomb de 2 V en série.

En connectant quatre batteries lithium-phosphate en série, chaque batterie a une tension de 3,60 V, ce qui est la tension de charge complète correcte. À ce stade, la charge doit être déconnectée mais poursuivie pendant la conduite. Le lithium-phosphate peut tolérer une surcharge.

Toutefois, comme la plupart des véhicules maintiennent la tension à 14,40 V pendant de longues périodes au cours de longs trajets, les contraintes mécaniques exercées sur les batteries au phosphate de lithium peuvent être accrues. L'avenir nous dira combien de temps le phosphate de lithium peut résister à une surcharge en tant qu'alternative aux batteries plomb-acide.

Aluminate de nickel, de cobalt et de lithium (NCA)

Les batteries nickel-cobalt-aluminate de lithium (NCA) sont utilisées depuis 1999. Elles ont une énergie spécifique élevée, une puissance spécifique assez bonne et une longue durée de vie similaire à celle des NMC. La sécurité et le coût sont moins flatteurs.

Le NCA est une évolution de l'oxyde de lithium et de nickel. L'ajout d'aluminium confère à la batterie une meilleure stabilité chimique. Une densité d'énergie et de puissance élevée et une bonne durée de vie font du NCA un candidat pour les systèmes d'alimentation des véhicules électriques. Les coûts élevés et la sécurité marginale ont un impact sur l'anode.

Titanate de lithium (LTO)

Les batteries à anode de titanate de lithium sont connues depuis les années 1980. Le titanate de lithium remplace le graphite dans la cathode des batteries lithium-ion classiques, et le matériau forme une structure spinelle.

La cathode peut être du manganate de lithium ou du NMC. Le titanate de lithium a une tension de batterie nominale de 2,40 V, qui peut être chargée rapidement et fournit un courant de décharge élevé de 10C.

On dit qu'il a des cycles plus élevés que les batteries lithium-ion conventionnelles. Le titanate de lithium est sûr et présente d'excellentes caractéristiques de décharge à basse température, atteignant une capacité de 80% à -30°C (-22°F).

Le LTO (généralement Li4Ti5O12) ne présente aucune déformation, aucune formation de film SEI et aucun phénomène de placage de lithium pendant la charge rapide et la charge à basse température. Il présente donc de meilleures performances de charge et de décharge que les types traditionnels de batteries au lithium dotées d'anodes Li-ion dopées au cobalt et d'anodes en graphite.

La stabilité thermique à haute température est meilleure que celle des autres types de piles au lithium. Les batteries sont toutefois coûteuses et leur énergie spécifique est faible (65 Wh/kg seulement), comparable à celle du NiCd.

Le titanate de lithium a été chargé à 2,80V et déchargé à 1,80V. Utilisé typiquement pour les chaînes de traction électrique, les lampadaires solaires et les batteries de véhicules. Batterie au lithium de l'onduleur.