La prochaine mine d'or se cache dans l'itinéraire technique des piles au lithium

En ce qui concerne le processus historique, aussi petit que le développement industriel, il n'a jamais été réalisé du jour au lendemain. C'est vrai pour l'énergie photovoltaïque, l'énergie éolienne et les batteries au lithium.

À long terme, au niveau cognitif, le marché secondaire des actions est clairement un pis-aller.

Le moment où l'industrie est véritablement en train d'inaugurer les temps forts du marché secondaire est clairement en retard sur le développement réel de l'industrie, et il est nécessaire que les entreprises représentatives se développent et entrent dans la phase d'échange du marché secondaire. Après avoir été promu par les fondateurs, les pionniers, les vendeurs, les évaluateurs et les suiveurs, il s'est largement répandu.

Par conséquent, si vous voulez être un précurseur, vous devez toujours prêter attention à l'évolution de l'industrie.

À l'heure actuelle, le développement des batteries au lithium à l'état solide se trouve dans une période où l'industrie brise la coquille. (La batterie au lithium que nous utilisons souvent fait référence à une batterie au lithium qui utilise des matériaux à électrolyte liquide, appelée batterie au lithium liquide, et une batterie au lithium qui utilise des matériaux à électrolyte solide est appelée batterie au lithium à l'état solide, ou batterie à l'état solide en abrégé).

Par rapport à la grisaille du marché secondaire, les piles au lithium à l'état solide ne sont pas moins populaires sur le marché des capitaux hors cote que les piles au lithium liquide. Tous les deux ou trois jours, des rapports sont publiés sur la planification de la capacité de production, la participation au capital et la coopération.

Par exemple, Thomas Schmall, membre du conseil d'administration du groupe Volkswagen, a récemment déclaré que l'entreprise dépenserait jusqu'à 30 milliards d'euros pour le projet d'usine européenne de fabrication de cellules et la sécurisation d'importantes matières premières.

En outre, de nombreuses entreprises ont lancé des investissements à grande échelle. Des groupes automobiles tels que BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen, Hyundai, Toyota, Honda et Nissan considèrent tous le domaine des batteries au lithium à l'état solide comme l'orientation technologique des batteries de leurs véhicules électriques de la prochaine génération.

Les principaux leaders chinois ont également commencé à faire progresser les batteries au lithium à l'état solide.

Ganfeng Lithium (002460.SZ) a déclaré le 30 novembre sur la plateforme d'interaction avec les investisseurs que les batteries à semi-conducteurs Ganfeng ont été installées sur les véhicules électriques Dongfeng E70.

Enjie a investi 1,3 milliard de yuans dans le projet Jiangsu visant à développer des diaphragmes à électrolyte solide. Xiaomi et Huawei ont investi conjointement dans Weilan New Energy, un fournisseur de batteries semi-solides.

De bonnes nouvelles sont venues du côté de l'application. La nouvelle berline ET7 de Weilai sera équipée d'une batterie semi-solide de 150 kWh avec une densité énergétique de 360 kWh/kg, et l'autonomie dépassera les 1 000 kilomètres.

Cela signifie que la densité énergétique a été considérablement augmentée par rapport à la base d'origine et que l'autonomie de conduite a été prolongée. Guoxuan Hi-Tech se préparerait activement à la production de masse de batteries semi-solides d'une autonomie de plus de 1 000 kilomètres.

La concurrence dans le domaine des piles au lithium à l'état solide se reflète non seulement au niveau des entreprises, mais elle s'intensifie également au niveau gouvernemental. Les pays du monde entier soutiennent vigoureusement la R&D et le développement industriel de la technologie des piles au lithium à l'état solide.

En Europe, le gouvernement allemand a investi 1 milliard d'euros pour soutenir la R&D et la production de la technologie des batteries à l'état solide, et de nombreux leaders de l'industrie automobile ont rejoint l'alliance.

En outre, l'Union européenne a investi conjointement 3,2 milliards d'euros et levé 5 milliards d'euros auprès d'investisseurs privés pour le développement de batteries à l'état solide. Les États-Unis, le Japon et la Corée du Sud ont tous proposé des subventions et des politiques de soutien correspondantes pour le développement des batteries au lithium à l'état solide.

La raison pour laquelle la plupart des pays promeuvent vigoureusement le développement des piles au lithium à l'état solide, outre le fait qu'ils se conforment à l'orientation future du développement, est que la position de la Chine sur la voie actuelle des piles au lithium liquide est difficile à ébranler.

Pour changer cette situation, certains gouvernements doivent prendre une longueur d'avance.

En ce qui concerne les progrès des batteries à semi-conducteurs, le gouvernement chinois n'a pas promulgué aveuglément des politiques correspondantes auparavant.

L'avantage de premier plan que la Chine a acquis dans le domaine des piles au lithium continuera à bénéficier d'avantages marginaux relativement importants pendant un certain temps. La structure industrielle existante tient compte du coût et de la nature de l'atterrissage, et constitue le choix le plus approprié.

Toutefois, le ralentissement ne signifie pas l'abandon. À l'avenir, les piles au lithium progresseront inévitablement dans la direction de la haute performance, et les piles à l'état solide sont de plus en plus devenues une voie de développement déterminante.

Par conséquent, tout en profitant des dividendes de l'industrie des piles au lithium liquide, nous devons également développer activement de nouvelles technologies.

En novembre 2020, le "Plan de développement de l'industrie automobile des nouvelles énergies (2021-2035)" publié par le gouvernement chinois exige clairement "l'accélération de la R&D et de l'industrialisation de la technologie des batteries d'alimentation à l'état solide".

La question se pose alors de savoir quels sont les avantages des piles à l'état solide. De l'entreprise au pays, tous les efforts sont déployés sur la voie des piles à l'état solide.

Quel est l'état actuel du développement ? Il faut savoir que la technologie actuelle des piles au lithium liquide est en plein développement. Quelles sont les perspectives d'avenir ?

Ce rapport vise à expliquer les questions susmentionnées qui subsistent dans l'esprit des investisseurs.

Disparition de l'électrolyte

Afin de clarifier ces problèmes, il est inévitable de mener des études comparatives sur divers aspects des piles au lithium liquide et des piles au lithium à l'état solide.

Tout d'abord, il s'agit dans les deux cas de piles au lithium, dont le principe est similaire, la différence résidant dans la composition de la pile.

La composition actuelle des piles au lithium liquide comprend quatre matériaux principaux : l'électrode positive, l'électrode négative, l'électrolyte et le séparateur. La composition des piles à l'état solide comprend trois matériaux principaux : l'électrode positive, l'électrode négative et l'électrolyte.

La différence est évidente. La pile au lithium à l'état solide remplace l'électrolyte et le diaphragme d'origine par un électrolyte à l'état solide.

Les éléments fondamentaux qui influencent la promotion et l'application des piles au lithium ne sont rien d'autre que trois aspects : la sécurité, la performance et le coût.

Tout d'abord, nous commençons par la sécurité. Les piles au lithium liquide existantes ont longtemps été critiquées en termes de sécurité. Le principe de fonctionnement de la pile au lithium liquide explique clairement pourquoi.

Au bout d'un moment, il était fatigué de jouer et voulait rentrer chez lui, mais il n'avait pas l'énergie nécessaire. C'est à ce moment-là qu'il faut le charger. Après l'avoir chargé, il aura l'énergie nécessaire pour nager jusqu'à sa maison, à l'électrode négative.

Cependant, le retour à la maison ne peut être retardé trop longtemps, vous devez charger rapidement, la température augmente de manière significative pendant la charge rapide, ce qui fait que plus d'ions lithium veulent rentrer à la maison.

Cependant, il n'y a pas assez de lits dans la maison de l'électrode négative. Les ions lithium sans abri ne peuvent que dormir à l'extérieur et précipiter à la surface de l'électrode négative pour former progressivement du lithium dendritique, qui peut percer l'électrolyte, provoquer un court-circuit et causer un accident.

Les lecteurs ne sont sans doute pas étrangers à l'incendie des véhicules à énergie nouvelle.

Selon les statistiques, il y aura 45 rappels de véhicules à énergie nouvelle en 2020, concernant 357 000 véhicules, soit 5,3% du nombre total de rappels pour l'année, dont 112 000 véhicules ont été rappelés en raison de défauts dans le système triélectrique, soit 31,3% du nombre total de rappels de véhicules à énergie nouvelle .

On peut constater que la batterie d'alimentation est un danger caché important pour la sécurité des voitures. La promotion des batteries à l'état solide commence ici.

Une différence évidente entre les piles au lithium à l'état solide et les piles au lithium liquide est qu'elles n'utilisent pas d'électrolyte inflammable, qui est souvent la cause principale des incendies dans les véhicules à énergie nouvelle.

L'électrolyte est le milieu conducteur de courant utilisé dans les étapes, mais cela ne signifie pas qu'il soit optimal. Sa structure présente des problèmes tels que la sensibilité à la température, la décomposition du produit à haute température, la forte corrosivité, l'inflammabilité et la facilité de fuite.

Après un court-circuit, l'électrolyte liquide à l'intérieur de la batterie au lithium s'enflamme en raison d'une forte augmentation de la température locale.

Même si la méthode consistant à ajouter un film ignifuge et résistant aux températures élevées est adoptée à ce stade, le problème de sécurité de la batterie n'a pas été résolu de manière efficace.

La batterie au lithium à l'état solide utilise un électrolyte solide ininflammable comme milieu conducteur.

L'avantage le plus important est la sécurité, qui réduit la sensibilité de la batterie à la température et élimine les courts-circuits causés par les problèmes de température élevée et basse causés par les précipitations. Grâce à une bonne isolation, les électrodes positives et négatives sont efficacement bloquées.

En s'appuyant sur la forme et le matériau de l'électrolyte, il résout le problème de l'inflammabilité, tout en présentant les difficultés d'une faible conductivité et d'une résistance élevée.

Il n'est pas difficile de comprendre que dans un environnement liquide, le mouvement des ions lithium est plus fluide et que le contact entre le matériau solide et les électrodes positives et négatives n'est pas aussi étroit que celui du matériau liquide, et que la performance de charge rapide n'est pas bonne.

Par exemple, une bouteille est remplie d'eau et l'autre de papier. L'espace dans la première bouteille est évidemment inférieur à celui de la seconde.
Il est évident que le remplacement de l'électrolyte n'est pas seulement la conversion d'un liquide en solide, en plus de la sécurité, il doit également permettre d'améliorer la densité de la capacité. À l'heure actuelle, les exigences en matière de performance des matériaux sont plus strictes et tiennent compte de la stabilité, de la conductivité, du coût et de la technologie.

Les électrolytes des piles à l'état solide qui sont actuellement utilisés ou dont l'utilisation commerciale est proche sont les suivants : polymère, sulfure et oxyde.

Les polymères sont faciles à électrolyser sous une tension de travail de 4V et plus, même s'ils ont un bon contact avec les électrodes positives et négatives, il est difficile d'avoir une grande responsabilité.

Le sulfure surmonte le goulot d'étranglement que constitue la mauvaise conductivité de l'électrolyte solide, mais il présente une résistance plus élevée. Il est facile d'avoir des réactions secondaires avec l'air, l'eau, etc., et il y a encore de nombreux défis à relever dans le processus.

La performance de l'oxyde est l'une des deux, et il est devenu un matériau idéal au stade actuel en raison de sa performance globale.

En raison des différences de compréhension, de maîtrise et de développement des technologies, le choix de la voie technologique est très controversé.

Ganfeng Lithium, Taiwan Huineng, Qingtao Energy et d'autres ont tracé des voies pour la technologie des batteries à l'état solide à base d'oxyde.

Les entreprises japonaises et coréennes utilisent principalement la technologie de l'électrolyte solide à base de sulfure ; les entreprises chinoises utilisent principalement la technologie de l'oxyde ; les entreprises européennes et américaines ont des choix diversifiés. Par exemple, Solid Power choisit principalement la voie du sulfure, et Quantum Scape la voie de l'oxyde.

Éliminer le goulet d'étranglement de la densité énergétique

En ce qui concerne les performances, celles des piles au lithium liquide ne sont pas satisfaisantes.

Avec la pénétration progressive des véhicules à énergie nouvelle, ceux-ci ont commencé à jouer un rôle important dans les déplacements de longue distance pendant les vacances. Toutefois, les résultats en termes de performance sont très médiocres. Un fait divers survenu pendant les longues vacances de novembre de cette année illustre bien le problème.

Selon China Finance and Economics, le 1er octobre, le propriétaire d'un véhicule à énergie nouvelle revenant de Shenzhen à Hunan a passé plus de cinq heures à recharger son véhicule dans la zone de service.

"Pendant ces quatre heures, je n'ai même pas osé aller aux toilettes parce que j'avais peur d'être coupée dans la file d'attente. À l'époque, il y avait plus de 20 voitures dans la file. Oubliez cela, j'ai dû faire la queue pendant au moins trois heures pour persuader les nombreuses voitures derrière moi. Retour".

Pendant longtemps, l'autonomie de la batterie et la charge rapide ont été les faits les plus beaux et les plus embarrassants des batteries au lithium liquide. L'amélioration de l'autonomie et des capacités de charge rapide est la clé de l'accélération du taux de pénétration.

Selon la feuille de route chinoise "Energy-saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap 2.0" publiée en octobre 2020, l'objectif de densité énergétique annuelle des batteries d'alimentation des véhicules purement électriques chinois en 2025 est de 400Wh/kg, et l'objectif en 2030 est de 500Wh/kg.

Toutefois, la densité énergétique des batteries ternaires au lithium en Chine s'efforce actuellement de dépasser 300 Wh/kg, tandis que la limite supérieure de la densité énergétique des batteries au phosphate de fer lithié est d'environ 180 Wh/kg.

Toutefois, la densité énergétique des batteries ternaires au lithium en Chine s'efforce actuellement de dépasser 300 Wh/kg, tandis que la limite supérieure de la densité énergétique des batteries au phosphate de fer lithié est d'environ 180 Wh/kg.

De ce point de vue, avec la technologie actuelle des piles au lithium, il est difficile de répondre à la demande future d'énergie par la seule voie de la haute teneur en nickel. Même si des batteries plus efficaces telles que la 9* sont lancées, limitées par les matériaux, c'est une véritable tâche que d'accumuler des changements qualitatifs. difficile.

Existe-t-il donc une meilleure solution pour augmenter la densité énergétique ? Après avoir étudié plus avant les facteurs qui influent sur la densité énergétique, nous avons trouvé la réponse.

La densité énergétique théorique des piles au lithium dépend principalement de la capacité en grammes des matériaux de l'anode et de la cathode et de la tension de fonctionnement. Les recherches ont montré que plus la tension est élevée, plus la densité énergétique est importante.

Il n'est pas difficile de comprendre que lorsqu'une batterie au lithium fonctionne, la tension de la batterie diminue avec la baisse de puissance. En supposant que les autres conditions restent les mêmes, sous le même courant, le temps de fonctionnement de la haute tension est évidemment plus long que celui de la basse tension.

Une analogie : un réservoir plus haut peut contenir plus d'eau, et il faudra plus de temps pour la vider avec le même robinet.

Cela signifie que la densité énergétique des batteries au lithium peut être améliorée en augmentant la tension de fonctionnement.
Cependant, en raison des matériaux actuels des piles au lithium liquide et des limites de sécurité, la différence de tension entre les électrodes positives et négatives est généralement inférieure à 4,2 V. Il est donc difficile d'atteindre cet objectif avec les matériaux actuels. Il est donc difficile d'atteindre cet objectif avec les matériaux actuels.

Un autre indicateur clé est la capacité spécifique (en grammes). Comme son nom l'indique, elle correspond à la quantité de mAh (milliampères-heure) que le matériau de la batterie au lithium contient par gramme.

Plus la capacité spécifique est grande, plus la densité énergétique est élevée.

En d'autres termes, à poids égal, on transporte plus d'ions lithium, et plus les ions lithium participent à la réaction chimique, plus l'énergie est importante. Toutefois, les matériaux d'électrodes positives et négatives existants pour les piles au lithium liquide posent également certaines contraintes à la demande future.

Outre l'amélioration des performances de sécurité des piles à l'état solide, elle permet également d'éliminer le goulet d'étranglement qui limite la densité énergétique des piles au lithium.

Du point de vue de la tension, l'électrode négative peut effectivement augmenter la différence de tension jusqu'à 5 V après l'utilisation de lithium métallique à l'avenir, ce qui augmentera sans aucun doute l'endurance.

Du point de vue de la capacité spécifique, la capacité spécifique du lithium métallique peut atteindre 3860mAh/g.

Cela équivaut à aménager une villa cinq étoiles pour le Li-ion, et le graphite existant n'est que de 365mAh/g, ce qui permet à peine de maintenir les conditions de vie, et il peut ne pas y avoir de couchettes lorsqu'ils rentrent tard. La différence entre les deux est évidente au premier coup d'œil.

À l'avenir, les matériaux à haute capacité spécifique, tels que les matériaux à base de manganèse riche en lithium, seront également utilisés dans le développement d'électrodes positives. Il est évident que l'application de matériaux à haute capacité spécifique est le seul moyen d'augmenter encore la densité énergétique.

Différence de voie technologique

Ce lien détermine souvent le succès ou l'échec, et si la meilleure technologie ne peut pas réduire efficacement les coûts, le remplacement n'est rien d'autre qu'un discours creux.

Selon le plan de Nissan, la batterie à l'état solide 2028 peut réduire le coût du bloc-batterie à US$75 par kilowattheure (équivalent à environ 478 RMB), et réduira encore le coût à US$65 par kilowattheure (équivalent à environ 413 RMB) à l'avenir.

Toutefois, le coût actuel des batteries ternaires au lithium dépasse 1 000 yuans/kWh. Compte tenu de la pénurie de matières premières à l'avenir, la marge de réduction des coûts n'est pas optimiste.

De ce point de vue, si les piles à l'état solide se développent comme prévu, il y aura un vaste marché alternatif. La question qui se pose ensuite est celle du choix d'une voie technique spécifique.

À ce stade, les piles à l'état solide utiliseront toujours les électrodes positives et négatives des piles au lithium liquide, au lieu d'électrolytes et de séparateurs. Ensuite, ce qui détermine la différence dans la voie technologique est la différence dans le choix de l'électrolyte.

Comme indiqué ci-dessus, dans la voie technologique actuelle des électrolytes principaux, le polymère est facile à électrolyser sous une tension de travail de 4 V et plus, et il doit dépasser la température ambiante pour fonctionner normalement, même s'il a été produit en masse, ce n'est pas un choix technologique d'avenir.

Les oxydes sont principalement classés en deux catégories : les oxydes à couche mince et les oxydes à couche non mince.

Le type à couche mince utilise principalement le LiPON (oxyde de phosphore de lithium et d'azote) comme électrolyte, tandis que le type sans couche fait référence à des électrolytes d'oxyde cristallin autres que le LiPON. Parmi eux, le LLZO (oxyde de lithium, de lanthane et de zirconium) est le plus répandu.

Les produits à couches minces ont d'excellentes performances et ont été utilisés dans des applications relativement primaires et à petite échelle dans les domaines de la microélectronique et de l'électronique grand public.

Cependant, la capacité des batteries à couches minces est faible, souvent inférieure au niveau mAh, ce qui est à peine suffisant dans les domaines de la microélectronique et de l'électronique grand public. Lorsqu'elles atteignent le niveau Ah des voitures particulières, leurs lacunes apparaissent au grand jour.

L'industrie a essayé d'augmenter la capacité des batteries en ajoutant des packs de batteries en série et en parallèle, mais il y a des problèmes tels que le coût élevé et les difficultés du processus.

Toutefois, les produits à base d'oxyde sans film présentent d'excellentes performances globales et sont actuellement très prisés pour leur développement.

C'est devenu un axe de développement clé pour les entreprises chinoises, et Taiwan Huineng et Jiangsu Qingtao sont toutes deux des entreprises de pointe dans ce domaine. Certains produits ont été mis sur le marché, mais ils présentent également des inconvénients : la conductivité ionique est inférieure à celle du type de film.

Les batteries au sulfure constituent une autre voie technologique sur laquelle les capitaux doivent se concentrer

Les sulfures comprennent principalement le thio-LISICON, le LiGPS, le LiSnPS, le LiSiPS, le Li2S-P2S5, le Li2S-SiS2, le Li2S-B2S3, etc. et leur conductivité est proche ou même supérieure à celle des électrolytes organiques.

En même temps, il présente les caractéristiques d'une grande stabilité thermique, de bonnes performances en matière de sécurité et d'une large fenêtre de stabilité électrochimique (jusqu'à 5 V). Il présente des avantages exceptionnels pour les piles à l'état solide à haute puissance et à haute et basse température.

Cependant, la plupart des matériaux sulfurés sont peu stables à l'air et réagissent avec l'eau pour former du sulfure d'hydrogène, un gaz irritant. On peut dire que son potentiel de développement est le plus important, mais aussi le plus difficile.

Dans le processus de production, le revêtement + le pressage à chaud multiple et l'ajout d'une couche tampon sont nécessaires pour améliorer la performance de l'interface.

En outre, de nouveaux matériaux sont constamment introduits. Il y a quelques mois, un nouveau matériau d'électrolyte solide pour les batteries au lithium, le chlorure de lithium et de zirconium, a été conçu et synthétisé par l'équipe de Ma Cheng, professeur à l'université des sciences et technologies de Chine.

Selon les rapports, l'avènement du chlorure de lithium et de zirconium a permis de réduire le coût des matières premières d'une épaisseur de 50 microns à 1,38 dollar US par mètre carré, alors que le coût correspondant de l'électrolyte solide au chlorure le moins cher était auparavant de 23,05 dollars US par mètre carré.

On rapporte que le coût des matières premières de 10 dollars américains par mètre carré est la limite pour que les électrolytes solides soient compétitifs. Bien sûr, le problème existe aussi. La faible stabilité est la clé qui limite le développement de l'industrialisation. L'équipe travaille actuellement d'arrache-pied pour surmonter ce problème.

Du point de vue de l'orientation du développement de l'industrie des batteries au lithium à l'état solide dans l'avenir, les connaissances de l'industrie ne sont pas très différentes : il s'agit essentiellement d'une batterie au lithium liquide - semi-solide - solide ; le remplacement du séparateur d'électrolyte est achevé en premier, puis les électrodes positives et négatives sont remplacées.

Afin de résoudre le problème du contact d'interface à l'intérieur de la batterie à l'état solide, et en même temps d'utiliser pleinement le processus et l'équipement de production de la batterie lithium-ion liquide existante pour réduire les coûts de fabrication, il est nécessaire de développer en priorité des batteries hybrides solide-liquide au lithium. La voie technique actuelle des batteries à l'état solide consiste à donner la priorité au développement de batteries hybrides solide-liquide au lithium, à réduire progressivement la teneur en électrolyte liquide et, enfin, à réaliser des batteries au lithium entièrement à l'état solide.

On peut dire que le processus de fabrication des piles à l'état solide est encore immature, que l'industrialisation prend encore du temps et que le chemin vers la réduction des coûts est long.

Mais d'un autre côté, sous la tendance de la promotion du capital, des voies technologiques larges et de la concentration des talents, on s'attend à ce que la courbe d'apprentissage de la production s'accélère, à ce que le temps de connaissance du processus soit raccourci et à ce que l'arrivée de l'industrialisation dépasse les espérances.

On prévoit que les livraisons de batteries à l'état solide augmenteront rapidement entre 2020 et 2030, et que la demande mondiale atteindra 1,7 GWh, 44,2 GWh et 494,9 GWh en 2020, 2025 et 2030, respectivement. Le marché mondial devrait atteindre 150 milliards de yuans en 2030. ci-dessus.

Fin

Dans le contexte de la forte demande de véhicules à énergie nouvelle, la concurrence pour les batteries d'énergie est particulièrement féroce. Bien que les piles au lithium liquide dominent actuellement, les piles au sodium, les piles à l'aluminium, les piles à hydrogène et les piles au lithium à l'état solide ont toutes lancé des défis.

Cependant, tout comme une centaine d'écoles de pensée ont apporté la prospérité universitaire, diverses voies technologiques ont trouvé leurs propres applications dans les domaines du stockage de l'énergie, des véhicules commerciaux et des voitures particulières.

Ce qui est certain, c'est que la concurrence de multiples voies technologiques est bénéfique pour le développement de l'industrie, ce qui devrait raccourcir le temps cognitif de l'industrie et promouvoir un développement sain de l'industrie.