De quoi est faite une batterie lithium-ion？

La cellule de batterie lithium-ion se compose de seulement cinq parties, et il y a environ 10~20 types de matériaux liés à la cellule.

La batterie comprend un matériau de cathode, un matériau d'anode et un collecteur de fluide correspondant, séparés par un séparateur entre la cathode et l'anode, et ses principaux composants sont le polypropylène et le plastique polyéthylène.

Les matériaux de l'anode et de la cathode sont enduits sur le liquide collecteur et le séparateur est serti ou laminé pour former un noyau de bobine, puis placé dans l'enveloppe métallique ou le film plastique. Après l'injection d'électrolyte et d'autres processus, l'enveloppe métallique ou le film plastique est complètement scellé, et peut alors être déplacé vers le processus cellulaire suivant.

Matériaux de cathode des batteries lithium-ion

La batterie lithium-ion est un système très complexe composé de différents types de matériaux d'électrode, chacun ayant des caractéristiques de performance différentes. Les matériaux cathodiques qui ont été commercialisés comprennent le phosphate de fer lithié, l'acide cobalt-lithium, l'acide manganèse-lithium, les matériaux ternaires nickel-manganèse et les matériaux ternaires nickel-aluminium. Différents fabricants utilisent cinq matériaux de cathode et les associent à différents matériaux d'anode pour obtenir des propriétés spécifiques. Certains fabricants mélangent différents matériaux de cathode, espérant que les différents matériaux se complètent pour améliorer les performances globales de la cellule.

Phosphate de lithium et de fer est un matériau de cathode courant pour les batteries lithium-ion des voitures. Comparé à d'autres matériaux d'électrode contenant des métaux non ferreux, le phosphate de fer lithié dispose de matières premières abondantes et d'un prix inférieur, ce qui convient aux applications à grande échelle. La puissance élevée convient également aux applications pratiques, car elle permet une charge rapide et une meilleure alimentation des voitures. Il y a également une raison majeure pour laquelle le phosphate de fer lithié est considéré comme une batterie "sûre". Ce n'est pas exact, car toutes les batteries lithium-ion ont des processus d'emballement thermique similaires, mais des températures différentes auxquelles l'emballement thermique peut être atteint. Cependant, il faut reconnaître que, comme toutes les batteries lithium-ion, les batteries lithium-phosphate de fer ont une tolérance relativement bonne à la surcharge, aux températures élevées et à d'autres conditions d'utilisation abusive. Cependant, la faible densité énergétique et l'autonomie limitée de la batterie au phosphate de fer-lithium sont les principales lacunes de l'application de cette batterie dans le domaine des véhicules électriques purs.

Avec la demande croissante de densité énergétique des batteries pour les véhicules électriques, matériaux pour cathodes ternaires font l'objet d'une attention croissante. Avec un matériau ternaire comme électrode de cathode et du graphite comme électrode d'anode, la plage de tension de décharge est d'environ 3,6~3,8V. Dans la batterie lithium-ion commerciale actuelle, la densité énergétique est relativement élevée, l'énergie spécifique est de 140~180Whkg, et les produits de certains fabricants peuvent atteindre 200 Wh /kg.

Batteries au lithium-cobalt-ion sont principalement utilisés dans les produits électroniques portables, tels que les téléphones mobiles, les appareils photo, les ordinateurs portables, etc. Bien que le cobalate de lithium ait une densité énergétique et une durée de vie élevées, sa sécurité thermique est médiocre. L'emballement thermique se produit lorsque la température est supérieure à 130℃, alors que la température seuil d'emballement thermique des autres systèmes de batteries est relativement plus élevée. Pour cette raison, l'oxyde de cobalt lithium est couramment utilisé dans les petits appareils électroniques grand public et rarement dans les grandes applications énergétiques, et certains fabricants ont banni l'oxyde de cobalt lithium des véhicules électriques.

Batterie au lithium-ion avec terpolymère nickel-cobalt-aluminium en tant qu'électrode de cathode ont l'énergie spécifique la plus élevée de toutes les batteries lithium-ion. Elles sont couramment utilisées dans l'alimentation électrique mobile, et leur application dans les véhicules électriques a été controversée en raison de leur coût élevé, mais le problème le plus important est leur faible sécurité.

Matériau de cathode en manganate de lithium a les caractéristiques d'un faible coût, d'une bonne sécurité et d'une puissance élevée, mais la durée de vie du cycle est relativement courte, en particulier la durée de vie à haute température est difficile à satisfaire les besoins de la batterie d'alimentation, de sorte que l'application actuelle est limitée.

Matériaux d'anode pour batteries lithium-ion

Actuellement, les batteries lithium-ion commerciales utilisent principalement du graphite, du carbone mou ou du carbone dur comme électrode d'anode. Il existe de nombreux types de matériaux en graphite, et les différents types de matériaux ont une grande influence sur les performances de la cellule. Avec le développement des batteries lithium-ion, l'anode de titanate de lithium a attiré beaucoup d'attention. La température de fonctionnement la plus basse de l'anode en titanate de lithium peut atteindre -40℃, ce qui présente d'excellentes caractéristiques de puissance, une stabilité de cycle et une sécurité élevée. Cependant, la tension de fonctionnement de la batterie lithium ion titanate est relativement faible, généralement de 2,2~2,3V, et le prix est encore plus élevé que celui du terpolymère et du lithium fer phosphate. Certains fabricants se sont engagés à réduire le prix du titanate de lithium, afin qu'il convienne aux applications à faible densité énergétique, à forte puissance et à longue durée de vie, telles que les véhicules électriques micro-hybrides et les bus électriques.

Il existe de nombreuses études théoriques et pratiques sur les nouveaux matériaux d'anode. Le silicium, l'étain, le germanium, les nanotubes de carbone et d'autres nanocomposites sont bien développés en laboratoire, mais aucun ne peut être produit en masse. Il existe de nombreuses possibilités d'améliorer la densité énergétique des batteries du point de vue du pôle anodique. Mais même si des matériaux en grande quantité peuvent être commercialisés, de nombreux obstacles subsistent. Par exemple, l'anode en silicium, au cours du processus de charge et de décharge, présente une expansion et une contraction considérables du volume du matériau, ce qui, d'une part, réduit l'efficacité du cycle. D'autre part, le volume global de la batterie change trop, ce qui ne permet pas de l'adapter à des applications à grande échelle. La plupart de ces matériaux sont actuellement en laboratoire, mais on espère que ces défauts seront surmontés et commercialisés dans un avenir proche.

Les matériaux de séparation des batteries lithium-ion

Le séparateur est généralement en plastique, en céramique ou une combinaison des deux films. Sa fonction principale est d'isoler les pôles de la cathode et de l'anode. Si le séparateur est manquant ou endommagé, le contact entre les pôles de la cathode et de l'anode provoquera un court-circuit interne, ce qui entraînera la défaillance de la batterie. Il convient donc d'éviter d'endommager le séparateur.

Actuellement, le séparateur utilisé dans les batteries lithium-ion commerciales est un séparateur poreux en polyéthylène ou en plastique composite multicouche polyéthylène-polypropylène. Ce séparateur permet aux ions lithium de passer tout en évitant le contact entre les pôles de la cathode et de l'anode. Certains fabricants utilisent trois couches de membrane composite polypropylène/polyéthylène/polypropylène, lorsque la température de la batterie atteint 135 ℃, au milieu du polyéthylène fondu avec le film extérieur de polypropylène reste la structure complète pour fournir un support mécanique, la fonte du polyéthylène fait des trous fermés dans une membrane dense, entraver les ions de lithium, et donc empêcher la réaction des cellules continuent à se produire.

La plupart des séparateurs polymères dans la température de la batterie lithium-ion n'est pas très élevée (telle que 90~110 deG C) commenceront à fondre et à rétrécir, ce qui provoque souvent des courts-circuits internes et d'autres accidents, de sorte que certains fabricants ajoutent des particules de céramique dans le séparateur pour améliorer la stabilité dimensionnelle thermique du séparateur et améliorer ainsi la sécurité de la batterie lithium-ion. En même temps, l'ajout de particules de céramique peut réduire la résistance interne et améliorer l'efficacité de la batterie.

Les matériaux d'électrolyte des batteries lithium-ion

Actuellement, les électrolytes utilisés dans les batteries commerciales sont généralement à l'état liquide ou gélifié et sont principalement utilisés comme moyen de transport des ions. L'électrode de la batterie lithium-ion est immergée dans l'électrolyte, dont le solvant est le carbonate d'alkyle (tel que le carbonate d'éthylène, le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, le carbonate de méthyle-éthyle, etc.), et le sel de lithium est l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF). En outre, afin d'améliorer la stabilité électrochimique et la stabilité thermique de l'électrolyte, divers additifs sont généralement ajoutés. Le type et le dosage des additifs utilisés par les fabricants de cellules sont souvent "l'arme secrète"

Les différents additifs d'électrolyte ont des fonctions différentes. La plupart des additifs ont pour fonction de favoriser la formation d'un film SEI, de réduire la perte de capacité et la production de gaz, et d'augmenter la stabilité thermique de la cellule. Par exemple, dans les cellules carrées ou cylindriques, les additifs peuvent générer du gaz à une température spécifique, ce qui permet au dispositif d'interruption du courant (CID) de fonctionner pour protéger la cellule. La formation d'un film SEI est l'une des fonctions importantes de l'électrolyte. Au cours du processus de lithification, l'électrolyte réagit à la surface pour former un film de passivation électrolytique solide qui ne conduit que les ions lithium, également connu sous le nom de film SEI. Le film SEI se forme généralement au cours du premier cycle, ce qui entraîne une perte de capacité irréversible. Toutefois, ce film empêche le matériau de l'anode de réagir continuellement avec l'électrolyte, de sorte que le contrôle du film SEI contribue à la stabilité du système de batterie lithium-ion.

Lorsque la batterie tombe en panne ou que la cellule est cassée, l'électrolyte cause de graves dommages. En raison de l'utilisation actuelle de l'électrolyte des batteries lithium-ion, qui sont des électrolytes organiques inflammables, dans le contrôle thermique de la batterie, les fuites d'électrolyte de la cellule entraîneront des explosions et d'autres réactions violentes. C'est pourquoi l'électrolyte gélifié, l'électrolyte solide et l'électrolyte aqueux ont fait l'objet d'une grande attention ces dernières années. Les électrolytes sous forme de gel ont beaucoup de points communs avec les électrolytes liquides, mais sont beaucoup moins inflammables. Les électrolytes solides polymères ont été testés dans un certain nombre d'usines, généralement enduits directement sur les séparateurs ou les matériaux d'électrodes cathodiques, mais n'ont pas encore été produits en masse.