Depuis la batterie 4680, le matériau de l'anode de lithium est passé du graphite au silicium.
Lors du "Tesla Battery Day" qui s'est tenu en septembre 2020, Tesla a lancé de manière subversive la "batterie 4680".
Ce type d'accumulateur est non seulement beaucoup plus grand que les accumulateurs 18650 et 21700, mais il a également une densité énergétique plus élevée. L'énergie d'une seule cellule a été multipliée par 5 et la puissance de sortie par 6. On s'attend à ce que le prix des piles électriques soit réduit de plus de 56%.
Les scénarios d'application des véhicules électriques sont relativement particuliers et l'espace disponible est extrêmement limité. Afin de garantir une autonomie de croisière suffisante, certaines exigences sont imposées à la densité énergétique des batteries de puissance, ce qui est également la clé pour limiter le développement de l'industrie. La principale raison pour laquelle l'efficacité de la batterie Tesla 4680 a été grandement améliorée réside dans trois aspects : le mode d'épi sans électrolyse, le processus d'électrode sèche et l'application d'une électrode négative à base de silicium.
Le mode d'oreille sans électrode complète le processus d'électrode sèche, et son objectif principal est de réduire la résistance interne du chemin conducteur, qui passe de 20mΩ à 2mΩ.
D'autre part, l'application d'anodes à base de silicium devrait permettre de dépasser la limite de capacité théorique des anodes traditionnelles et de réaliser une percée globale dans la densité énergétique des batteries d'énergie.
Pendant longtemps, les pôles négatifs des batteries d'énergie ont été calmes, et l'avantage en termes de coût a fait du graphite artificiel une voie technique reconnue dans l'industrie. En l'absence de nouvelles forces motrices, chaque entreprise de pôles négatifs a axé son développement sur la réduction des coûts et l'augmentation de l'efficacité.
Mais ce calme pourrait être rompu par la batterie 4680. Lorsque la batterie 4680 sera officiellement commercialisée, la perméabilité de l'électrode négative à base de silicium continuera d'augmenter. La décharge des piles 4680 marquera-t-elle le début de la prochaine itération industrielle des électrodes négatives des piles au lithium ? Quelle est la raison qui empêche le remplacement du graphite artificiel par des anodes à base de silicium de devenir le courant dominant de l'industrie ?
Historique des itérations négatives
Le concept des piles au lithium a été proposé pour la première fois au début du 20e siècle, mais ce n'est qu'en 1991 que la société japonaise Sony a officiellement réalisé une production commerciale.
Le premier lot de piles au lithium utilisait du coke de pétrole comme électrode négative, qui a été rapidement éliminé en raison de sa faible capacité spécifique et remplacé par un matériau appelé microsphères de mésocarbone (MCMB).
Bien que le MCMB ait été considérablement amélioré par rapport aux matériaux d'électrodes négatives de la première génération, le problème de la faible capacité spécifique persiste. En outre, une grande quantité de solvant organique doit être consommée dans le processus de préparation, de sorte que le coût est toujours élevé, ce qui est presque le même que le matériau d'électrode négative actuel.
Les piles au lithium sont nées au Japon et les entreprises japonaises ont toujours eu un droit de regard absolu sur les débuts de l'industrie. Avant 2000, la quasi-totalité des matériaux d'anode des entreprises chinoises de batteries au lithium étaient importés du Japon.
Shanshan Co. a été la première à remplacer le MCMB sur le marché intérieur. À l'époque, Shanshan Co. Ltd. s'est appuyée sur la force technique de l'Institut de recherche sur l'énergie thermique d'Anshan pour mettre en place la première ligne de production de MCMB en Chine, ce qui a permis de réduire le prix des matériaux d'anode MCMB.
Presque en même temps que Shanshan Co. produisait en masse le MCMB, le professeur Wang Chengyang de l'université de Tianjin a également mis au point la technologie connexe du MCMB, qu'il a ensuite autorisée à Tianjin Tiezhong Coal Chemical Company. En 2008, Tianjin Tiecheng a été rachetée par Bertray
Lorsque la Chine a réalisé le remplacement national du MCMB, la demande du marché pour les piles au lithium a réellement changé. Les téléphones mobiles et les ordinateurs portables sont devenus les principaux scénarios d'atterrissage des piles au lithium, ce qui impose certaines exigences en matière de densité de capacité des piles au lithium.
Avec l'amélioration continue du taux de pénétration des piles au lithium dans le domaine numérique 3C, les matériaux en graphite ayant une capacité spécifique plus élevée ont commencé à remplacer progressivement le MCMB. Le premier à remplacer le MCMB est le graphite naturel, qui a été mis au point par Berterry. Presque en même temps que le graphite naturel, le graphite artificiel est apparu. Bien que le graphite artificiel soit légèrement plus cher, il n'est pas facile à dilater, a une bonne cyclabilité et un bon taux de charge/décharge, ce qui convient à un plus grand nombre de scénarios d'application.
En général, l'électrode négative des batteries au lithium suit la voie itérative de l'industrie du coke de pétrole, du MCMB, du graphite naturel et du graphite artificiel. La capacité spécifique et le taux d'expansion sont les paramètres de performance les plus intéressants.
En 2011, le graphite naturel est devenu le matériau ayant la plus grande part de marché, avec une part de marché de 59% ; le graphite artificiel arrive en deuxième position avec une part de marché de 30%, et la part de marché du MCMB n'est que de 8%.
À l'époque, le graphite n'en était qu'à ses débuts pour remplacer le MCMB, et le marché considérait encore le coût comme la principale considération. Les propriétés physiques et chimiques du graphite naturel et du graphite artificiel n'étant pas très différentes, le marché est plus enclin à accepter le graphite naturel dont le coût est plus élevé.
Toutefois, en 2015, la proportion d'anodes en graphite naturel est tombée à 55%, et a chuté à 16% en 2020 ; la part de marché des anodes en graphite artificiel est passée de 30% à 84%.
Pourquoi l'électrode négative en graphite artificiel a-t-elle atteint la tendance de l'enroulement du graphite naturel ces dernières années ? La raison réside dans l'essor rapide des véhicules à énergie nouvelle.
L'électrode négative en graphite artificiel présente les avantages d'une longue durée de vie et d'une charge et d'une décharge rapides, ce qui a conduit les fabricants de batteries d'énergie à choisir unanimement le graphite artificiel, légèrement plus coûteux, comme voie principale.
Tout au long du développement des matériaux d'anode de batterie au lithium, l'anode de batterie au lithium qui devient le courant dominant du marché dépend principalement du scénario d'application à ce moment-là. Une fois les performances de base satisfaites, la compétitivité de base des fabricants d'électrodes négatives ne dépend plus de la recherche et du développement, mais de la manière de réduire les coûts et d'augmenter l'efficacité, ce qui entraîne également une tendance générale à la convergence des bénéfices pour les entreprises de l'ensemble de l'industrie.
Tesla ouvre le chemin négatif
Ce qui détermine le choix des matériaux d'anode, c'est la demande du marché, et la solution de batterie 4680 de Tesla devrait rompre le consensus à long terme du marché sur les matériaux d'anode.
Quel est le plus grand changement apporté par la batterie 4680 ? Par rapport à la batterie 21700, la capacité est presque 5 fois plus élevée, la puissance est 6 fois plus élevée et l'autonomie de croisière est augmentée de 16%.
Pendant longtemps, les véhicules électriques ont été pris au piège de la faible autonomie de croisière due à la faible densité des batteries d'alimentation.
Auparavant, l'industrie se concentrait principalement sur la sélection des matériaux d'électrode positive afin d'améliorer la densité énergétique des batteries de puissance, mais aujourd'hui, la bataille se poursuit entre les batteries ternaires et le phosphate de fer-lithium. De toute évidence, il n'y a pas de conclusion cohérente dans l'industrie des électrodes positives. .
L'importance de la batterie 4680 de Tesla réside dans le fait qu'elle rompt avec le raisonnement traditionnel des fabricants de batteries qui se concentrent sur les électrodes positives et positives, et qu'elle utilise plutôt la structure de la batterie et les électrodes négatives pour améliorer et maximiser la densité énergétique et l'efficacité des batteries d'énergie.
Pour les anodes en graphite, la capacité actuelle des produits haut de gamme a atteint 360-365mAh/g, atteignant presque le plafond de la capacité théorique de 372mAh/g. La densité énergétique des batteries d'énergie ne pouvant plus répondre parfaitement aux besoins des véhicules électriques, il est nécessaire de rechercher des matériaux d'anode d'une capacité supérieure.
Si l'on considère tous les matériaux d'anode, seuls les matériaux à base de silicium peuvent améliorer de manière significative la capacité en grammes de l'anode, et il est très probable qu'ils deviendront le produit d'anode de la prochaine génération. Mais en même temps, l'anode à base de silicium présente aussi des défauts fatals, qui limitent la popularisation rapide de cette technologie.
Tout d'abord, l'anode à base de silicium présente un taux d'expansion important et est sujette à la déformation. Deuxièmement, la performance du cycle est nettement inférieure à celle de l'anode en graphite et la conductivité n'est pas très bonne. Associée à son prix élevé, cette technologie a du mal à obtenir les faveurs des fabricants en aval.
En raison de ces défauts, il est difficile d'appliquer rapidement les matériaux à base de silicium aux matériaux d'anode dans un court laps de temps. La solution actuelle dans l'industrie est la méthode des matériaux à base de silicium composés de graphite, qui a permis d'obtenir une solution de batterie avec une capacité spécifique supérieure à 400mAh/g.
Le triple changement provoqué par la batterie 4680
La solution de batterie 4680 de Tesla devrait apporter un triple changement spectaculaire à l'électrode négative des batteries au lithium.
L'ensemble de l'industrie des électrodes négatives passe du graphite aux matériaux composites à base de silicium, ce qui constituera le premier changement majeur apporté par les batteries 4680 aux électrodes négatives des batteries au lithium.
Avant la batterie 4680, des matériaux à base de silicium ont été ajoutés au schéma de l'électrode négative en petite quantité par certains fabricants. Par exemple, les matériaux à base de silicium 5% ont été ajoutés à l'électrode négative de la batterie 21700 de la Tesla Model 3. Les données montrent qu'en 2020, les livraisons nationales de matériaux à base de silicium ne s'élèveront qu'à 9 000 tonnes et que le taux de pénétration de l'industrie ne sera que d'environ 2,5%.
Toutefois, l'émergence de la batterie 4680 devrait stimuler la demande du marché pour les anodes à base de silicium, et le taux de pénétration de l'ensemble du matériau à base de silicium dans l'anode devrait doubler.
Derrière l'augmentation de la perméabilité des matériaux à base de silicium, l'agent conducteur central, les nanotubes de carbone, peut devenir un autre matériau bénéfique, ce qui constitue le deuxième changement apporté par la batterie 4680.
En raison de la faible conductivité des matériaux à base de silicium, le premier problème à résoudre après le remplissage est celui de la conductivité. L'industrie adopte généralement la méthode de l'ajout d'un agent conducteur pour le résoudre.
À l'heure actuelle, l'agent conducteur traditionnel "noir de carbone + graphite conducteur" est largement utilisé dans l'industrie, mais l'agent conducteur traditionnel est ajouté en grande quantité et dépend principalement des importations. Ces dernières années, les nanotubes de carbone sont un nouveau type d'agent conducteur en plein essor, avec une faible quantité d'ajouts et des avantages évidents.
Les nanotubes de carbone sont des cristaux de graphite tubulaires à l'échelle nanométrique qui présentent une bonne conductivité électrique. Les nanotubes de carbone sont souvent ajoutés aux matériaux de cathode en tant qu'agents conducteurs pour améliorer la conductivité des pièces polaires des piles au lithium, ce qui peut améliorer le taux de performance et la durée de vie des piles au lithium.
En 2014, les nanotubes de carbone n'étaient qu'un agent conducteur impopulaire avec une proportion de 13,6%. Avec la mise sur le marché de batteries électriques en Chine, le taux de pénétration des nanotubes de carbone a continué d'augmenter, et la part de marché est passée en 2018 à 31,8%. Si la tendance actuelle se poursuit, la part de marché des nanotubes de carbone devrait dépasser 60% d'ici 2025.
La Chine dispose déjà d'une capacité de production indépendante de nanotubes de carbone. À l'heure actuelle, les entreprises nationales actives dans le domaine des nanotubes de carbone sont notamment Tiannai Technology, Cabot, Qingdao Haoxin, Jiyue Nano, Defang Nano, Wuxi Dongheng, etc.
Parmi eux, Tiannai Technology est le leader absolu du secteur. En termes de livraisons, la part de marché de Tiannai Technology en 2020 atteindra 32,3%, tandis que les deuxième et troisième places seront occupées par 23,8% et 19,6%, ce qui représente un écart considérable.
Le troisième changement à venir est que la batterie 4680 pourrait modifier fondamentalement le modèle actuel de l'industrie des électrodes négatives.
En 2020, le marché chinois des matériaux d'anode sera divisé par quatre grandes entreprises, Beterui, Putailai (Jiangxi Zichen), Shanshan et Kaijin Energy occupant respectivement 22%, 18%, 17% et 14% du marché. En termes de parts de marché, CR4 détient une part de marché totale de 71%.
Actuellement, la part de marché des électrodes négatives de diverses entreprises est principalement affectée par la capacité de production des électrodes négatives en graphite. Avec l'apparition des matériaux à base de silicium à l'avenir, la part de marché de l'ensemble des électrodes négatives pourrait changer radicalement, et les entreprises qui ont une implantation précoce dans les matériaux à base de silicium se verront devancées.
En ce qui concerne l'industrie mondiale des anodes à base de silicium, l'entreprise japonaise Shin-Etsu est la plus avancée sur le plan technologique, tandis que sur le marché chinois, Bettray est le pionnier de l'industrie, et Putailai et Shanshan sont en train de rattraper leur retard.
Dès septembre 2020, les anodes à base de silicium de Bertray ont été officiellement mises en production. Le marché s'attend à ce que les expéditions de cette année avoisinent les 3 000 tonnes, et la vitesse de développement est supérieure à celle des autres entreprises. Il est très probable qu'elle devienne la plus grande anode à base de silicium. bénéficiaires.
Putailai occupe actuellement la deuxième place sur le marché des électrodes négatives. En ce qui concerne la présentation des matériaux à base de silicium, Putailai a coopéré avec l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences, et a achevé la deuxième génération de produits, et a participé aux essais et à la certification des utilisateurs en aval. La production de masse devrait commencer dans les prochaines années.
Shanshan Co., Ltd. se concentre principalement sur les anodes en oxyde de silicium et a réalisé des applications par lots sur les marchés de la consommation et de la petite puissance. La batterie d'énergie est encore en cours d'essai et de certification, et elle en est également au premier stade de la production de masse.
En outre, Kaijin Energy, Zhongke Electric et d'autres entreprises déploient activement des anodes à base de silicium, dans l'espoir de s'emparer de la prochaine itération de l'industrie des anodes.
D'une manière générale, la transition des anodes de piles au lithium des matériaux en graphite aux matériaux à base de silicium est devenue une orientation technique reconnue dans l'industrie, et la sortie officielle des piles 4680 pourrait stimuler la demande globale de matériaux à base de silicium, ce qui non seulement remodèlera l'ensemble de l'industrie des anodes de piles au lithium, mais stimulera également le développement de l'industrie des agents conducteurs connexes.
La solution de la batterie 4680 n'est pas l'apanage de Tesla. Des fabricants de batteries tels que BAK Battery et Yiwei Lithium Energy ont également commencé à développer leur propre "solution 4680". Cela signifie que la décharge des batteries 4680 deviendra très probablement un événement à forte probabilité, et l'on s'attend également à ce que ce soit le début de la prochaine itération de l'électrode négative des batteries au lithium.
