Cinq façons d'améliorer les performances des batteries lithium-ion
Actuellement, la mise à jour des batteries au lithium est basée sur des matériaux tels que l'anode en graphite, l'électrolyte et la cathode en métal, ce qui est techniquement difficile et les progrès sont lents. Des matériaux à la conception des batteries, cet article présente cinq moyens d'améliorer les performances des batteries.
Passage d'une anode en graphite à une anode en silicium
Les matériaux d'anode des piles au lithium sont principalement divisés en matériaux à base de carbone et en matériaux sans carbone. Les matériaux à base de carbone comprennent les anodes en graphite naturel, les anodes en graphite artificiel, etc. Les matériaux non à base de carbone se divisent principalement en matériaux à base de silicium et en matériaux composites. À l'heure actuelle, les matériaux à base de carbone, représentés par le graphite artificiel, sont les principaux matériaux utilisés dans les anodes de batteries, représentant 95% de la part de marché des matériaux d'anodes.
Toutefois, à ce stade, le matériau d'anode en graphite est proche de sa limite théorique de capacité spécifique de 372mAh/g, et un matériau d'anode à capacité spécifique plus élevée est nécessaire. Les anodes en silicium devraient améliorer de manière significative la densité énergétique et les performances des batteries. Le matériau d'anode en silicium est préparé en mélangeant du nano-silicium avec d'autres matériaux, puis en subissant un traitement de surface, un frittage, une pulvérisation, un criblage et une démagnétisation.
Actuellement, la capacité spécifique des applications commerciales atteint 450mAh/g, et le coût est faible. Cependant, en raison de sa faible durée de vie, elle est principalement utilisée dans le domaine numérique 3C. Si l'on veut l'utiliser dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle, il est nécessaire d'améliorer encore les performances de la batterie.
Bien que la quantité de silicium utilisée dans les anodes soit inférieure à 5%, il est difficile de l'utiliser comme additif en raison de son expansion volumique inhérente et des problèmes de stabilité et de durée de vie qui en résultent. Cependant, la technologie des anodes en silicium s'est constamment améliorée au cours des 10 à 15 dernières années, permettant aux batteries d'utiliser du silicium de 5-100% dans l'anode, ce qui peut encore améliorer les performances de la batterie.
Nouvelle méthode de synthèse des cathodes
Les futures batteries lithium-ion pourraient utiliser un ensemble similaire de matériaux cathodiques actuellement sur le marché. Les LNMO ou les LMFP liés aux LFP peuvent être considérés comme des exceptions, bien que ni l'un ni l'autre n'améliorent la densité énergétique, mais offrent des compromis différents entre des performances de batterie élevées et un faible coût. Les cathodes NMC riches en lithium-manganèse peuvent améliorer modestement les performances des batteries, mais le développement commercial est limité et lent.
Les améliorations apportées aux matériaux des cathodes sont généralement progressives. Au contraire, le plus grand changement dans la technologie et l'innovation en matière de cathodes pourrait provenir de la manière dont elles sont synthétisées. Les techniques de synthèse actuelles nécessitent le maintien de températures élevées pendant des périodes relativement longues (plusieurs jours), tout en utilisant de grandes quantités de réactifs et d'eau, ce qui entraîne des coûts de fabrication élevés et un impact sur l'environnement. Nano One Materials utilise une méthode "one-pot" basée sur une solution pour produire des matériaux cathodiques enrobés.
L'entreprise a conclu un partenariat avec le fabricant de cathodes Pulead. 6K Energy utilise des réacteurs à plasma à micro-ondes pour produire des matériaux cathodiques, mais elle est également en mesure de synthétiser des anodes en silicium et des matériaux d'électrolyte solide. Nano One Materials et 6K Energy devraient rationaliser les processus de production afin d'améliorer les performances et le rendement des batteries, de réduire les coûts de fabrication et de diminuer l'impact sur l'environnement.
Électrolytes solides et nouvelles formulations d'électrolytes
En ce qui concerne les nouveaux électrolytes, les électrolytes à l'état solide ont suscité une grande attention dans l'industrie. La batterie à l'état solide sans liquide est presque incombustible, ce qui réduit la sensibilité de la batterie à la température, élimine le risque de court-circuit causé par les dendrites de lithium dues au phénomène de précipitation du lithium, et bloque efficacement la cathode et l'anode avec une bonne isolation.
Cependant, l'objectif d'une production commerciale de masse de batteries à l'état solide est encore à relativement long terme. L'utilisation actuelle de nouveaux additifs et de nouvelles formulations d'électrolytes peut améliorer les systèmes d'électrolytes liquides et les performances des batteries. Par exemple, les additifs d'électrolyte et les solvants à base de phosphazène et de composés d'azote phosphoré améliorent la sécurité et les performances des batteries en améliorant la stabilité thermique et la formation du film SEI.
À long terme, les batteries à l'état solide restent l'objectif technologique ultime, permettant aux électrolytes à l'état solide de remplacer les électrolytes liquides inflammables actuellement utilisés, améliorant ainsi considérablement la sécurité et les performances des batteries. Les données montrent que le marché des piles à l'état solide devrait atteindre plus de $8 milliards d'euros d'ici à 2031, alors que les électrolytes liquides constituent toujours une part importante du marché. Les défis liés à la stabilité, à la durée de vie, à la fabricabilité et même à la sécurité des systèmes d'électrolyte solide signifient que la concurrence entre les différents systèmes d'électrolyte se poursuit.
Optimisation de l'espace interne de la batterie
La simple utilisation de nouveaux matériaux de cathode et d'électrolytes pour améliorer les performances des batteries présente des limites techniques importantes. Pour les véhicules électriques, l'amélioration de la conception de l'espace du bloc-batterie et l'augmentation de la capacité de la batterie constituent un autre moyen clé d'améliorer les performances de la batterie. De nombreuses entreprises du secteur automobile ont annoncé des batteries avec des conceptions cellule à cellule pour éliminer les matériaux associés aux boîtiers des modules et optimiser l'efficacité de l'emballage, ce qui contribue en fin de compte à augmenter la densité énergétique et à améliorer l'intégration de la batterie dans le véhicule.
La conception du bloc-batterie élimine progressivement les matériaux tels que le boîtier, passant de CTP à CTC/CTB, ce qui optimise l'efficacité du groupe. BYD Blade Battery optimise l'agencement de l'espace du bloc-batterie en modifiant la forme des cellules, ce qui permet d'augmenter le taux d'utilisation de la capacité de 50%. L'une des Top 100 du lithiumLa dernière conception du bloc-batterie de CATL permet d'atteindre une utilisation de 72 % de la capacité.
Au début de l'année 2022, CATL a annoncé que ses batteries LFP pourraient atteindre 160 Wh/kg et 290 Wh/l, commençant ainsi à concurrencer leurs homologues NMC. La maximisation de la densité énergétique peut contribuer à atténuer le principal inconvénient des batteries LFP bon marché, en améliorant les performances de la batterie et en permettant de produire des batteries à longue portée peu coûteuses. Ces types de batteries souffrent d'un manque de facilité d'entretien, ce qui peut limiter leur utilisation dans les véhicules commerciaux.
Un système de gestion de la batterie plus intelligent
Les améliorations apportées aux systèmes de gestion des batteries (BMS) peuvent permettre d'améliorer plusieurs aspects des performances des batteries. L'optimisation des BMS améliore les performances de la batterie grâce à l'optimisation logicielle dans des conditions données de cathode, d'anode et de matériaux électrolytiques. Les trois fonctions principales d'un BMS sont la surveillance de la batterie, l'estimation de l'état de charge (SOC) et la gestion thermique efficace. La mesure précise de la température est très importante pour l'état de fonctionnement de la batterie et constitue la garantie de sa sécurité.
La précision et la capacité de correction d'erreur du SOC sont à la base du fonctionnement normal du BMS. Sans données précises sur l'état de charge, le bloc-batterie ne sera pas en mesure d'exercer son efficacité maximale, et toutes les fonctions de protection seront vaines. Une gestion thermique efficace garantit que la batterie fonctionne dans une plage de température normale et active la stratégie de protection contre la surchauffe dans les scénarios nécessaires, assurant ainsi le fonctionnement sûr et ordonné de la batterie et évitant le scénario de défaillance dangereux de l'emballement thermique de la batterie.
Outre les véhicules électriques, l'amélioration du BMS est également très utile pour d'autres utilisations finales telles que les smartphones ou les téléphones portables. batteries d'outils électriques. Alors que le développement des batteries implique souvent des compromis entre les principales caractéristiques de performance des batteries, telles que la densité énergétique, la durée de vie, la charge rapide et la sécurité, les améliorations apportées au système de gestion des batteries (BMS) peuvent permettre d'améliorer toutes ces caractéristiques.
Conclusion
L'amélioration des performances des piles et la réduction des coûts vont bien sûr bien au-delà des différentes méthodes mentionnées dans cet article. Bien que certaines méthodes ne soient pas en mesure d'atteindre une production de masse, elles permettront un développement stable des performances des piles au lithium.
