Nouvelle technologie de batterie dans l'industrie des batteries lithium-ion

Le développement des véhicules électriques bat son plein. L'un des éléments les plus importants, le développement des véhicules électriques, est l'un des éléments les plus importants, le développement des véhicules électriques. Batterie de voiture au lithium-ion joue un rôle décisif dans l'endurance et la sécurité des véhicules électriques. Ces derniers temps, nous entendons souvent parler de nouvelle technologie de batterieLa technologie des piles à l'état solide, des piles à gelée SVOLT, des piles NIO au nickel 55, des piles MI dopées au lithium silicium et de la technologie CTP/CTC, etc.

En fait, avec autant d'orientations techniques, l'objectif fondamental est d'améliorer la densité énergétique et la sécurité de la batterie. Dans cet article, nous vous proposons de parcourir le chemin associé à la nouvelle technologie des batteries.

Les voies de la nouvelle technologie des batteries : augmenter la densité énergétique et la sécurité

Si une personne part à l'aventure dans la nature et que son sac à dos est rempli de nourriture, comment faire pour que les réserves de nourriture durent plus longtemps ? Le plus simple est d'emporter le plus d'aliments possible en termes de calories et de densité, tels que des biscuits compressés et du chocolat. Un autre aspect consiste à aménager le sac de manière à ce que vous puissiez y mettre le plus de nourriture possible.

Les ingénieurs tentent de mettre au point une nouvelle technologie de batterie afin d'améliorer la densité énergétique des batteries. bloc-batterie en empruntant deux voies similaires : l'augmentation de la densité cellulaire et l'augmentation de la densité du système.

L'augmentation de la densité cellulaire équivaut à rendre la nourriture elle-même plus calorique ; l'augmentation de la densité du système équivaut à transporter plus de nourriture dans un sac à dos. Bien entendu, tout en améliorant la densité énergétique, la sécurité est toujours une priorité absolue.

Quels sont les efforts déployés et quelles sont les nouvelles technologies de batterie qui apparaissent pour améliorer la densité et la sécurité des batteries ? Parlons-en maintenant dans le contexte de l'actualité récente.

Rendre les aliments plus caloriques ? La nouvelle technologie des batteries pour augmenter la densité énergétique des cellules

La cellule est composée de trois parties, la cathode, l'anode et l'électrolyte entre la cathode et l'anode. La densité énergétique est améliorée par ces trois aspects dans la nouvelle technologie des batteries. Examinons-les un par un.

Nouvelle technologie de batterie pour la cathode - nickel 55 et matériau monocristallin

Nickel 55

Récemment, NIO a mis sur le marché un bloc-batterie de 100 kWh, qui est la batterie "qui ne fait que fumer ne fait pas feu" annoncée précédemment par CATL. Sans changer la taille de la coque du bloc-batterie et presque sans gain de poids, la densité énergétique a augmenté de 37%, et l'autonomie est grandement améliorée.

La cellule ternaire en nickel 55 de la nouvelle batterie est un facteur important de l'augmentation de la densité énergétique. Le matériau de la cathode est un matériau monocristallin à haute tension. Qu'est-ce qu'un monocristal ? Avant de répondre à cette question, examinons l'orientation technique des matériaux cathodiques.

La soi-disant pile ternaire au lithium désigne les matériaux cathodiques à base de nickel, de cobalt et de manganèse (NCM). Le nickel est utilisé pour augmenter la capacité, le cobalt est utilisé pour stabiliser la structure et le manganèse est utilisé pour réduire les coûts et améliorer la stabilité structurelle. Plus la proportion de nickel est élevée et plus la proportion de cobalt et de manganèse est faible, plus la densité énergétique est élevée, mais plus la sécurité est faible.

Pour améliorer la densité énergétique, le rapport NCM est passé de "111 (N:C:M=1:1:1)" à "523", puis à "811". Cette nouvelle voie technologique pour les batteries a toujours été l'orientation principale du développement des matériaux cathodiques ternaires.

Matériau monocristallin

La direction opposée de la nouvelle technologie des piles est la voie du monocristal. La cathode de la nouvelle pile utilise un matériau monocristallin de la série 5. Les matériaux monocristallins conviennent mieux aux tensions élevées.

À l'heure actuelle, la plupart des matériaux cathodiques ternaires commerciaux sont des matériaux polycristallins sphériques secondaires d'environ 10 microns formés par l'agglomération de particules primaires de niveau nanométrique. Les matériaux polycristallins et monocristallins sont tous deux de la silice, le sable de quartz est un matériau polycristallin, le verre peut être considéré comme un matériau monocristallin.

Le NCM polycristallin comporte de nombreux joints de grains. Au cours du processus de charge et de décharge de la batterie, en raison des modifications anisotropes du réseau, le MNC polycristallin est sujet à la fissuration des joints de grains, ce qui entraîne la rupture de particules secondaires, une augmentation rapide de la surface spécifique et des réactions secondaires à l'interface, avec pour conséquence une augmentation de l'impédance de la batterie et une baisse rapide de ses performances.

Cependant, la nouvelle technologie des batteries utilise des matériaux ternaires monocristallins qui n'ont pas de joints de grains internes, ce qui permet de traiter efficacement la rupture des joints de grains et la dégradation des performances. Par conséquent, la structure monocristalline permet d'obtenir une tension plus élevée, mais aussi d'améliorer la stabilité du cycle des matériaux ternaires, ce qui améliore considérablement la sécurité de la batterie.

Il s'agit du matériau de la cathode. Examinons maintenant la nouvelle technologie de batterie pour l'anode.

Nouvelle technologie de batterie pour anode - dopée au silicium et prélithiation

Récemment, il a été rapporté qu'IM Motor et CATL développaient conjointement une nouvelle technologie de batterie dopée au silicium et de prélithiation, et que les deux parties partageraient les brevets de cette nouvelle technologie de batterie.

IM Motor a déclaré que la densité énergétique de la batterie est désormais supérieure à 30-40%, la plus élevée pouvant atteindre environ 1000 km d'autonomie, 200000 km et l'atténuation, la batterie vous sera envoyée par l'optimisation de la formule des matériaux ignifuges d'isolation des batteries, la technologie de groupe et la technologie d'emballage de l'ensemble du pack de batterie en aluminium moulé, la gestion coordonnée du BMS et du nuage garantissant la sécurité de la batterie.

La densité énergétique de la batterie est 30-40% plus élevée que le niveau actuel de l'industrie, et elle peut atteindre une portée maximale d'environ 1000 km et une atténuation maximale de 200 000 km.

Cette batterie sera isolée et ignifugée grâce à l'optimisation de la formule du matériau de la batterie et de la technologie d'isolation et d'ignifugation du pack, ainsi que de la technologie d'emballage de la coque de la batterie entièrement en aluminium moulé, combinée à la gestion collaborative BMS end-cloud pour garantir la sécurité de la batterie.

Qu'est-ce que la nouvelle technologie de batterie "dopée au silicium et prélithiation" ?

La densité de l'anode en graphite des batteries lithium-ion traditionnelles est faible. Afin d'obtenir une densité élevée, les nouveaux matériaux d'anode que sont le carbone de silicium et l'oxygène de silicium sont devenus les nouveaux points chauds recherchés par les entreprises. Cependant, l'oxygène de silicium aura une faible efficacité pour la première fois et devra être rechargé en lithium (prélithiation).

 Lors du premier processus de charge et de décharge d'une batterie lithium-ion liquide, le matériau de l'électrode réagit avec l'électrolyte à l'interface solide-liquide, formant une couche de passivation qui recouvre la surface du matériau de l'électrode. Cette couche de passivation est une couche interfaciale qui présente les caractéristiques d'un électrolyte solide et qui est un isolant électronique mais un excellent conducteur de Li+.

Le Li+ peut être incorporé et libéré librement à travers cette couche passive, c'est pourquoi ce film passif est appelé "film d'interface électrolyte solide" (film SEI en abrégé) (il existe également des films formés sur la cathode, mais à l'heure actuelle, on estime que leur influence sur la batterie est bien moindre que celle du film SEI sur la surface de l'anode).

La nouvelle technologie de batterie de la technologie de prélithiation de l'anode de carbone de silicium, l'anode de carbone de silicium est pré-revêtue d'une couche de métal de lithium, qui est en contact étroit avec l'anode. Une fois l'électrolyte versé, le revêtement réagit avec l'anode et s'incorpore dans les particules de l'anode.

Une partie des ions lithium est stockée dans l'anode, afin de compenser les ions Li consommés par la formation ou la réparation du film SEI au cours de la première charge et de la première décharge ou du premier cycle.

Comparée à la prélithiation de l'anode, difficile et coûteuse, la prélithiation de la cathode est plus simple. La prélithiation typique de la cathode consiste à homogénéiser l'anode, à ajouter une petite quantité de matériau d'anode à haute capacité et, au cours du processus de charge, à faire émerger des éléments Li redondants de ces riches matériaux d'anode de batterie au lithium, intégrés dans la cathode pour compléter la capacité irréversible de la charge et de la décharge pour la première fois.

Ce processus complexe de prélithiation permet d'augmenter la densité du matériau de l'anode. On ne sait pas encore quel type de nouvelle technologie de batterie IM Motor utilisera, mais il est presque certain qu'IM Motor utilisera cette batterie au lithium haut de gamme.

Enfin, l'électrolyte est le dernier maillon de l'augmentation de la densité énergétique de la cellule.

Nouvelle technologie de batterie pour les électrolytes - Batteries à l'état solide et batteries à gelée

Batteries à l'état solide

QuantumScape, une startup soutenue par Volkswagen et Bill Gates, a dévoilé mardi sa dernière batterie à l'état solide, affirmant qu'elle sera produite d'ici 2024. Ces batteries à semi-conducteurs offrent une amélioration significative par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles : elles peuvent augmenter l'autonomie des voitures électriques de 80%. Voyons ce qu'est cette nouvelle technologie de batterie et quels sont ses avantages.

Tout en améliorant la densité énergétique de la batterie, la sécurité de la batterie doit être prise en compte pour chaque nouvelle technologie de batterie. L'élimination du danger caché des batteries au lithium-ion repose fondamentalement sur l'amélioration de la sécurité des matériaux des batteries.

Mais pour les matériaux cathodiques, ces deux aspects sont contradictoires. Par exemple, comme mentionné précédemment, l'augmentation de la teneur en nickel augmente la densité énergétique, mais l'augmentation de la teneur en nickel signifie moins de sécurité.

Que pourrait-on faire pour améliorer la sécurité des batteries par d'autres moyens qui permettraient d'augmenter la densité énergétique de manière plus sûre ? C'est alors que l'on commence à penser aux électrolytes.

Un grand nombre d'études ont montré que l'électrolyte liquide est impliqué dans la plupart des réactions dans le processus d'emballement thermique des batteries, et qu'il réduit considérablement la température de réaction initiale des batteries, c'est-à-dire que le seuil d'emballement thermique devient plus bas. Par conséquent, l'amélioration de la sécurité de l'électrolyte est l'une des méthodes les plus efficaces pour assurer la sécurité des batteries.

Les caractéristiques physiques de l'électrolyte liquide font qu'il est impossible d'éviter les fuites et, en même temps, elles ne permettent pas de réduire le volume de la batterie et d'améliorer la densité énergétique. Par conséquent, afin d'améliorer la densité énergétique et la sécurité, l'électrolyte solide est devenu une tendance.

Nouvelle technologie des batteries Les batteries à l'état solide sont celles qui ont des électrodes et des électrolytes solides. Les batteries à l'état solide sans liquide à l'intérieur de la cellule sont non seulement plus sûres, mais elles peuvent également être assemblées en série et en parallèle, ce qui réduit les matériaux utilisés pour l'emballage et l'enveloppe. La conception du pack est grandement simplifiée, ce qui améliore également la densité énergétique après le pack de batterie.

Comme les batteries lithium-ion classiques, les batteries à l'état solide se composent d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte. Sa structure est plus simple que celle d'une batterie lithium-ion classique, l'électrolyte solide jouant à la fois le rôle d'électrolyte et de diaphragme.

Le matériau de la cathode n'est pas fondamentalement différent de celui de la batterie au lithium traditionnelle. Les matériaux d'anode sont des matériaux d'anode en lithium métal, des matériaux d'anode en groupe de carbone et des matériaux d'anode en oxyde.

Pour les batteries à l'état solide, la recherche et le développement d'électrolytes solides dans cette nouvelle technologie de batterie sont les plus importants. Il existe de nombreux types de matériaux, notamment des oxydes, des sulfures, des polymères et des électrolytes solides composites.

Piles en gelée

Outre l'utilisation à grande échelle de batteries au lithium liquide et de batteries à l'état solide qui font l'objet de recherches, une nouvelle technologie de batterie, une batterie semi-solide appelée "jelly battery", est en train de voir le jour. En décembre 2020, SVOLT a été le premier à commercialiser des batteries gélifiées et à prendre des précommandes.

La batterie gélifiée est une nouvelle technologie de batterie qui utilise un nouvel électrolyte gélifié qui s'adapte bien à la surface du matériau de l'électrode. Il est auto-cicatrisant, ignifuge et empêche la diffusion thermique avec une faible perte de conductivité. La batterie gélifiée est une transition entre la batterie liquide et la batterie solide.

Comment emballer plus ? La nouvelle technologie de batterie pour des packs avec une densité de système accrue

Outre l'augmentation de la densité énergétique des batteries, l'un des moyens utilisés par la nouvelle technologie des batteries pour augmenter la densité énergétique des batteries est d'emballer plus de cellules dans un pack de même taille et de même poids. Voici une brève introduction à la technologie actuelle relativement nouvelle des batteries.

Nouvelle technologie de batterie permettant de supprimer l'emballage interne - (CTP)

En général, les batteries ont non seulement des blocs de batterie à l'extérieur, mais aussi des "modules" formés par un groupe de cellules à l'intérieur. La nouvelle technologie de batterie dite CTP est démodulaire et les cellules sont directement emballées.

Actuellement, c'est un choix majeur pour les entreprises afin d'améliorer la densité énergétique. CATL, BYD et SVOLT ont lancé une nouvelle technologie de batterie dé-modulaire. La batterie à lame chaude de BYD est basée sur une batterie lithium-phosphate de fer, utilisant une conception démodulaire pour améliorer l'utilisation de l'espace.

Nouvelle technologie de batterie pour l'élimination des emballages internes et externes - (CTC)

Lors de la journée de la batterie de Tesla, une batterie structurelle a été proposée, qui a été directement intégrée dans la structure de la voiture. Cette nouvelle technologie de batterie structurée est similaire à la technologie CTC proposée précédemment par CATL, qui intègre la cellule de batterie et le châssis ensemble, puis intègre le moteur, la commande électrique et le système haute tension du véhicule ensemble grâce à une architecture innovante, et optimise la distribution de l'énergie et réduit la consommation d'énergie grâce à un contrôleur de domaine de puissance intelligent.

Conclusion

Grâce à l'introduction ci-dessus, je pense que vous avez une certaine compréhension de la nouvelle technologie des batteries. Bien que nous devions encore attendre patiemment l'utilisation commerciale des batteries à l'état solide, nous pensons que les nouvelles technologies de batteries déjà développées, telles que les batteries à l'état semi-solide, les matériaux cathodiques monocristallins et la technologie de prélithiation dopée au silicium, pourront être expérimentées dans un avenir proche.