Quels sont les types de piles au lithium - analyse des performances

Batterie à l'oxyde de lithium et de cobalt

Son énergie spécifique élevée fait de l'oxyde de cobalt-lithium un choix populaire pour les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les appareils photo numériques. Parmi les types de piles au lithium, la pile se compose d'une cathode en oxyde de cobalt et d'une anode en carbone graphitique. La cathode a une structure en couches et les ions lithium se déplacent de l'anode vers la cathode pendant la décharge et dans la direction opposée pendant la charge.

Les inconvénients de l'oxyde de lithium et de cobalt sont une durée de vie relativement courte, une faible stabilité thermique et une capacité de charge limitée. Comme les autres batteries lithium-ion hybrides au cobalt, l'oxyde de cobalt lithium utilise une anode en graphite. 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 pendant la charge rapide ou la charge à basse température.

L'oxyde de lithium et de cobalt ne doit pas être chargé et déchargé avec un courant supérieur à sa capacité. Cela signifie qu'un Batterie 18650 de 2 400mAh ne peuvent être chargés et déchargés qu'à ≤2 400mA. Forcer une charge rapide ou appliquer une charge supérieure à 2400mA peut provoquer une surchauffe et un stress excessif.

En raison du coût élevé du cobalt et de l'amélioration évidente des performances apportée par le mélange de matériaux avec d'autres matériaux cathodiques actifs, l'oxyde de cobalt de lithium est progressivement remplacé par l'oxyde de manganèse de lithium dans les types de piles au lithium, en particulier dans les piles NMC et NCA. Dans les types de piles au lithium, l'oxyde de cobalt de lithium est excellent en termes d'énergie spécifique élevée, mais ne peut fournir que des performances médiocres en termes de caractéristiques de puissance, de sécurité et de durée de vie.

Batterie au manganate de lithium

La batterie spinelle au manganate de lithium, l'un des types de batteries au lithium, a été publiée pour la première fois en 1983 dans un rapport de recherche sur les matériaux. En 1996, Moli Energy Company a commercialisé des batteries lithium-ion avec de l'oxyde de manganèse lithium comme matériau de cathode.

L'architecture forme une structure spinelle tridimensionnelle qui améliore le flux d'ions sur les électrodes, ce qui réduit la résistance interne et améliore la capacité de transport du courant. Un autre avantage du spinelle est sa grande stabilité thermique et l'amélioration de la sécurité, mais le cycle et la durée de vie sont limités.

La faible résistance interne de la batterie permet une charge rapide et une décharge à courant élevé. Les piles 18650, les piles au manganate de lithium peuvent être déchargées à un courant de 20-30A, et l'accumulation de chaleur est modérée. La batterie au lithium-manganate est utilisée dans les outils électriques, les équipements médicaux et les véhicules hybrides et purement électriques.

La plupart des oxydes de lithium et de manganèse sont mélangés à de l'oxyde de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC) pour augmenter l'énergie spécifique et prolonger la durée de vie. Cette combinaison permet d'obtenir les meilleures performances de chaque système et, dans la plupart des VE, c'est l'AML (NMC) qui est choisi. La partie LMO de la batterie peut atteindre environ 30%, ce qui permet de fournir un courant plus élevé pendant l'accélération ; la partie NMC offre une grande autonomie.

La recherche sur les batteries Li-ion tend à combiner le manganate de lithium avec le cobalt, le nickel, le manganèse et/ou l'aluminium comme matériau actif de la cathode. Dans certaines architectures, une petite quantité de silicium est ajoutée à l'anode, ce qui augmente la capacité de 25%. Cependant, le silicium se dilate et se contracte avec la charge et la décharge, provoquant des contraintes mécaniques, et l'augmentation de la capacité est généralement étroitement liée à une courte durée de vie.

Ces trois métaux actifs, ainsi que les améliorations apportées au silicium, peuvent être sélectionnés de manière pratique pour améliorer l'énergie spécifique, la puissance spécifique ou la durée de vie.

Batterie NMC

Dans les types de batteries au lithium, l'un des systèmes Li-ion les plus performants est la combinaison cathodique de nickel manganèse cobalt (NMC). Comme le manganate de lithium, ce système peut être adapté à une utilisation en tant que batterie d'énergie ou de puissance. Par exemple, une NMC dans une batterie 18650 dans des conditions de charge modérée a une capacité d'environ 2 800 mAh et peut fournir un courant de décharge de 4A à 5A.

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. Les anodes à base de silicium peuvent atteindre plus de 4 000 mAh, mais la capacité de charge sera réduite et la durée de vie du cycle sera plus courte. Le silicium ajouté au graphite a pour défaut que l'anode se dilate et se contracte au fur et à mesure qu'elle est chargée et déchargée, ce qui soumet la batterie à des contraintes mécaniques et la rend structurellement instable.

Le secret du NMC réside dans la combinaison du nickel et du manganèse. Le nickel est connu pour son énergie spécifique élevée mais sa faible stabilité, et la structure spinelle du manganèse permet d'obtenir une faible résistance interne mais une faible énergie spécifique. Les deux métaux actifs présentent des avantages complémentaires.

Parmi les six types de batteries au lithium, la NMC présente de bonnes propriétés générales et excelle en termes d'énergie spécifique. C'est la batterie de choix pour les outils électriques, les vélos électriques et d'autres groupes motopropulseurs électriques, avec le taux d'auto-échauffement le plus faible.

En raison des performances économiques relativement bonnes et des performances globales du système, les batteries lithium-ion hybrides NMC ont fait l'objet d'une attention croissante. Les trois matériaux actifs, le nickel, le manganèse et le cobalt, peuvent être facilement mélangés pour répondre à une large gamme d'applications dans l'automobile et les systèmes de stockage d'énergie (EES) qui nécessitent des cycles fréquents.

Batterie LiFePO4

En 1996, l'université du Texas a découvert que le phosphate pouvait être utilisé comme matériau de cathode pour les batteries rechargeables au lithium. Le phosphate de lithium présente de bonnes performances électrochimiques et une faible résistance. Ces performances sont obtenues grâce à des matériaux cathodiques à base de phosphate de taille nanométrique.

Les principaux avantages de la batterie LiFePO4 sont un courant nominal élevé et une longue durée de vie ; une bonne stabilité thermique pour une sécurité accrue et une tolérance aux abus. Le phosphate de lithium résiste mieux aux conditions de pleine charge et est moins sollicité que les autres systèmes de piles au lithium s'il est maintenu à haute tension pendant des périodes prolongées. En revanche, la tension nominale inférieure de 3,2 V de la batterie rend l'énergie spécifique plus faible que celle des batteries Li-ion dopées au cobalt.

Pour la plupart des types de batteries au lithium, les basses températures réduisent les performances et les températures de stockage élevées raccourcissent la durée de vie, et le phosphate de lithium ne fait pas exception à la règle. Le phosphate de lithium a une autodécharge plus élevée que les autres batteries Li-ion, ce qui peut entraîner des problèmes de vieillissement et d'égalisation. Bien qu'il soit possible de compenser ce phénomène en choisissant une batterie de haute qualité ou en utilisant un système de gestion de batterie avancé, ces deux méthodes augmentent le coût du bloc-batterie.

Les gens aimeraient utiliser remplacement des piles au lithium par des piles au plomb. Quatre batteries en série produisent 12,8 V, comme six batteries au plomb-acide de 2 V en série. En outre, le phosphate de lithium présente une bonne sécurité et une longue durée de vie, une énergie spécifique modérée et une capacité d'autodécharge améliorée.

Batterie NCA

La batterie à l'aluminate de nickel-cobalt-lithium, ou batterie NCA, est utilisée depuis 1999. Elle possède une énergie spécifique élevée, une puissance spécifique assez bonne et une longue durée de vie qui sont similaires à celles de la NMC. La sécurité et le coût sont moins flatteurs. Le NCA, l'un des types de piles au lithium, est un développement ultérieur de l'oxyde de lithium et de nickel, auquel on a ajouté de l'aluminium pour améliorer la stabilité chimique de la pile.

La densité d'énergie et de puissance élevée et la bonne durée de vie font de l'ANC un candidat pour le groupe motopropulseur des véhicules électriques. Le coût élevé et la sécurité marginale ont des effets négatifs.

Batterie LTO

Les batteries avec anodes en titanate de lithium sont connues depuis les années 1980. Le titanate de lithium remplace le graphite dans une anode de batterie lithium-ion typique, et le matériau forme une structure spinelle. La cathode peut être en manganate de lithium ou en NMC.

Le titanate de lithium a une tension nominale de 2,40 V, peut être chargé rapidement et fournit un courant de décharge élevé de 10C. Les durées de cycle sont considérées comme plus élevées que celles des batteries Li-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.

La batterie LTO 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, de sorte qu'elle présente de meilleures performances de charge et de décharge que les anodes Li-ion traditionnelles dopées au cobalt et les anodes en graphite. La stabilité thermique à haute température est également meilleure que celle des autres types de batteries au lithium.

Cependant, les batteries LTO sont coûteuses. Faible énergie spécifique, seulement 65Wh/kg, comparable à celle du NiCd. Le titanate de lithium est chargé à 2,80 V et à 1,80 V en fin de décharge. Les utilisations typiques sont les groupes motopropulseurs électriques, les onduleurs et les lampadaires solaires. Le titanate de lithium est excellent en termes de sécurité, de performance à basse température et de durée de vie, et des efforts sont faits pour augmenter l'énergie spécifique et réduire les coûts.

Conclusion

Bien que la NCA soit la grande gagnante en stockant plus de capacité que les autres systèmes, elle n'est bonne que pour une utilisation spécifique de l'énergie. Parmi les six types de batteries au lithium, le manganate de lithium et le phosphate de lithium sont excellents en termes de puissance spécifique et de stabilité thermique. Le titanate de lithium a peut-être une capacité plus faible, mais il dure plus longtemps que la plupart des autres batteries et présente les meilleures performances à basse température.