Quels sont les trois matériaux qui constituent une pile ternaire au lithium ?

1) Quels sont les trois matériaux qui constituent une pile ternaire au lithium ?

Le matériau de l'électrode positive d'un batterie au lithium Le matériau de l'électrode négative se compose généralement de l'électrode positive des piles à hydrure métallique de nickel et de l'électrode négative des piles au nickel-cobalt ; le séparateur se compose généralement de polypropylène ; et l'électrolyte se compose généralement d'huile minérale et de solvants. La stabilité des performances de la batterie est assurée par différentes structures de matériaux d'électrodes et d'électrolytes. Le matériau d'électrode est un composé polymère (tel que le polyacrylonitrile), qui présente une surface spécifique et une activité chimique élevées, tandis que l'électrolyte est un mélange liquide qui présente une bonne stabilité chimique, un bon écoulement de l'électrolyte et qui est facile à contrôler en termes de viscosité et d'acidité. Les séparateurs peuvent être divisés en séparateurs microporeux et séparateurs en nid d'abeille. Les séparateurs microporeux sont généralement utilisés dans les batteries lithium-ion, les séparateurs en nid d'abeille sont utilisés dans les batteries des véhicules électriques et les séparateurs en nid d'abeille sont utilisés dans les condensateurs des batteries de recharge des voitures.

2.Caractéristiques structurelles des piles au lithium ternaires

Les batteries au lithium ternaires utilisent du lithium métal comme matériau d'électrode positive et emploient une structure NCA/NCA. Sa caractéristique structurelle est l'utilisation de lithium métallique à la place du matériau NCA sur l'électrode négative. Le matériau de l'électrode positive étant le composant le plus important des matériaux ternaires, il occupe le plus grand espace, tandis que le matériau de l'électrode négative joue un rôle protecteur. L'enveloppe de la batterie est également installée au bas du bloc-batterie et se compose principalement d'un boîtier et d'un séparateur. Le séparateur contient des agents de réticulation de l'alcoxyde de silicium, qui séparent la couche de l'électrode positive et facilitent l'échange de charge avec l'électrode négative, de sorte que la performance du séparateur affecte grandement la capacité et la sécurité de la batterie. En outre, le lithium métal est un excellent conducteur avec une bonne conductivité thermique. Il est essentiel pour les batteries ternaires au lithium de former un film protecteur solide et insoluble entre les ions lithium et les molécules de lithium métallique.

En raison de sa densité énergétique et de son coût les plus élevés (il utilise le cobalt, le métal le plus précieux), l'oxyde de lithium et de cobalt (LCO) est principalement utilisé dans l'électronique grand public, où le prix des batteries est peu sensible.
Dans le domaine de l'énergie, de 2009 à 2016, le phosphate de fer lithié (LFP) a dominé dans les voitures particulières (moins de 9 places) et les véhicules commerciaux (9 places et plus, ou principalement à des fins de transport de marchandises) en raison de son faible coût et de sa grande sécurité.
Après 2016, avec la demande croissante de batteries à haute densité énergétique dans les véhicules grand public et les politiques favorisant ces batteries, des matériaux ternaires sont apparus dans les voitures particulières, tandis que les véhicules utilitaires ont continué à dépendre principalement de la fibre optique légère.
Dans le domaine du stockage de l'énergie, les marchés étrangers utilisent principalement des matériaux ternaires, tandis qu'au niveau national, c'est le phosphate de fer lithié qui est principalement utilisé, en particulier le phosphate de fer lithié recyclé. Grâce à la maturité de la technologie nationale des batteries au phosphate de fer lithié (LFP), à la réduction des coûts et à la sécurité vérifiée, la production nationale de LFP pénètre progressivement le marché mondial du stockage de l'énergie.

3. les quatre principaux matériaux des piles au lithium

Les batteries lithium-ion sont des batteries modernes à hautes performances, composées de matériaux d'électrodes positives, de matériaux d'électrodes négatives, de séparateurs et d'électrolytes, qui constituent les quatre principaux composants. Une densité énergétique élevée, une longue durée de vie et une sécurité fiable sont nécessaires pour obtenir de bonnes performances.

La chaîne d'approvisionnement de l'électrification nationale est bien établie et le paysage est clair. En 2019, les entreprises chinoises représentaient 77% du CR4 dans les industries des batteries d'énergie/électrodes positives/électrodes négatives/séparateurs/électrolytes, respectivement, indiquant des leaders industriels clairs dans chaque sous-domaine.

(1) Matériaux de l'électrode positive des piles au lithium

Ces dernières années, l'essor de la production et des ventes de véhicules à énergie nouvelle en Chine a entraîné le développement rapide de l'ensemble de la chaîne industrielle en amont et en aval, en particulier la demande croissante de batteries électriques. Comme les batteries représentent environ 30 à 40% du coût de fabrication des véhicules à énergie nouvelle, il est crucial de réduire le coût des batteries pour rendre les véhicules à énergie nouvelle plus compétitifs en termes de prix et obtenir une compétitivité suffisante sur le marché. Parmi les coûts des composants des batteries de puissance, le coût des matériaux d'électrode positive dépasse 40% (équivalent à environ 16% de l'ensemble du véhicule), et il est donc essentiel de réduire le coût des matériaux d'électrode positive.

Les statistiques montrent qu'en 2020, la production totale des quatre principaux matériaux d'électrodes positives en Chine était de 519 000 tonnes, soit une augmentation de 20,81 TTP3 d'une année sur l'autre, les matériaux à base de phosphate de fer lithié étant très performants, atteignant une production de 142 000 tonnes, soit une augmentation de 45,71 TTP3 d'une année sur l'autre. La production de matériaux pour électrodes positives à base de cobaltate de lithium et d'oxyde de manganèse de lithium s'est élevée respectivement à 73 800 tonnes et 92 900 tonnes, avec des augmentations annuelles de 24,81 et 21,61 tonnes ; le taux de croissance de la production de matériaux ternaires a été le plus faible, avec seulement 71 tonnes, pour une production annuelle totale de 210 000 tonnes.
Au premier trimestre 2020, 17 fabricants de matériaux d'électrodes positives ont réalisé l'approvisionnement, soit une diminution de 7 par rapport à 2019, ce qui indique que le remaniement de l'industrie a commencé, les petites entreprises ayant une capacité de production, une technologie et une structure de clientèle médiocres commençant à quitter le marché, et la concentration devrait augmenter.

Les matériaux d'électrode positive sont l'un des matériaux clés qui déterminent les performances des batteries lithium-ion et constituent également la principale source d'ions lithium dans les batteries lithium-ion commerciales. Leurs performances et leur prix influencent considérablement la densité énergétique et les performances des batteries au lithium. Actuellement, les matériaux d'électrode positive développés et appliqués avec succès comprennent principalement l'oxyde de cobalt lithium, le phosphate de fer lithium, l'oxyde de manganèse lithium et les matériaux ternaires (nickel cobalt manganèse lithium, oxyde de nickel lithium), les principaux matériaux d'électrode positive pour les batteries au lithium en Chine étant le phosphate de fer lithium et les matériaux ternaires.

L'oxyde de cobalt et de lithium a un coût élevé et une durée de vie courte, et est principalement utilisé dans les produits 3C ; l'oxyde de manganèse et de lithium a une faible densité énergétique et une durée de vie courte mais un faible coût, et est principalement utilisé dans les véhicules spéciaux ; le phosphate de fer et de lithium a une longue durée de vie, une bonne sécurité et un faible coût, et est principalement utilisé dans les véhicules commerciaux ; les matériaux ternaires, en particulier le NCM, ont une densité énergétique élevée, une bonne performance de cyclage et une longue durée de vie, et sont principalement utilisés dans les véhicules de tourisme.

De nombreuses entreprises de batteries ternaires se concentrent sur la recherche et le développement de batteries ternaires à haute teneur en nickel. Bien que les piles ternaires au lithium soient légèrement inférieures aux piles au phosphate de fer-lithium en termes de sécurité et de stabilité, elles présentent des avantages en termes de densité énergétique, de résistance à basse température et d'autonomie que les autres piles ne peuvent égaler.

Les matériaux des électrodes positives doivent présenter les caractéristiques suivantes :

A. Avoir un potentiel de réaction redox élevé pour obtenir une tension de sortie élevée des batteries lithium-ion ;
B.Haute teneur en lithium, haute densité d'empilement des matériaux, ce qui se traduit par une haute densité énergétique des batteries lithium-ion ;
C. Bonne stabilité structurelle au cours des processus de réaction chimique, ce qui se traduit par une longue durée de vie des batteries lithium-ion ;
D. Une conductivité élevée, qui se traduit par de bonnes performances en matière de taux de charge et de décharge des batteries lithium-ion ;
E. Bonne stabilité chimique et thermique, pas facile à décomposer ou à chauffer, d'où une bonne sécurité pour les batteries lithium-ion ;
F. Faible coût, ce qui se traduit par un coût suffisamment bas des batteries lithium-ion ;
G. Processus de fabrication relativement simple, adapté à la production à grande échelle ;
H. Faible pollution de l'environnement, facile à recycler et à réutiliser.
Actuellement, les indicateurs clés tels que la densité énergétique, la vitesse de charge et de décharge et la sécurité des batteries lithium-ion sont principalement limités par les matériaux des électrodes positives.

(2) Matériaux de l'électrode négative des piles au lithium

L'électrode négative est un composant majeur des batteries au lithium. Elle se compose de matériaux actifs, de liants et d'additifs mélangés en une pâte et appliqués uniformément sur les deux faces d'une feuille de cuivre, puis séchés et enroulés.

Les matériaux d'électrodes négatives se réfèrent principalement aux matériaux actifs des électrodes négatives. Les électrodes négatives peuvent être divisées en deux catégories : les matériaux à base de carbone et les matériaux sans carbone. Les matériaux en carbone comprennent le graphite artificiel, le graphite naturel, les microsphères de carbone mésophase, le carbone dur et le carbone mou, tandis que les matériaux autres que le carbone comprennent les matériaux à base de silicium, les matériaux à base d'étain et l'oxyde de titane et de lithium.

4.Composition des matériaux de l'électrode positive des batteries lithium-ion ternaires

Les matériaux d'électrode positive des batteries lithium-ion ternaires sont principalement constitués de quatre éléments : le nickel (Ni), le cobalt (Co), le manganèse (Mn) et le lithium (Li). Dans le processus général de production des matériaux d'électrode positive, les sources des différents éléments sont respectivement le sulfate de nickel, le sulfate de cobalt, le sulfate de manganèse et le carbonate de lithium. Les sections suivantes analysent les sources minérales de ces éléments, leurs principales répartitions géographiques, l'abondance de ces ressources en Chine et la manière dont le développement de la chaîne industrielle des batteries lithium-ion ternaires affecte la demande de ces ressources.

(1) Ressources en lithium

Les sociétés d'extraction et de production de minerai de lithium fournissent principalement du carbonate de lithium ou de l'hydroxyde de lithium de qualité batterie comme matières premières aux fabricants de matériaux d'électrodes positives pour batteries. Il existe quatre méthodes principales pour préparer les sels de lithium à partir des minerais de lithium : la méthode de la chaux, la méthode de l'acide sulfurique, la méthode du sulfate et la méthode de grillage du chlorure. Le processus principal de ces quatre méthodes consiste à fritter les minerais de lithium avec de l'acide sulfurique ou des sulfates, de la chaux ou des chlorures, puis à produire des sels de lithium par des processus tels que la dissolution et la filtration. Actuellement, le processus principal de transformation du minerai de lithium en lithium adopte la méthode de l'acide sulfurique.

Les principales matières premières pour la transformation du minerai de lithium en lithium sont le spodumène et le mica de lithium. Le spodumène est la source la plus riche en lithium et la plus propice à la production industrielle. Au niveau mondial, les gisements de spodumène riche en lithium sont principalement répartis en Australie, au Canada, au Zimbabwe, au Zaïre, au Brésil et en Chine ; les gisements de mica lithié se trouvent principalement au Zimbabwe, au Canada, aux États-Unis, au Mexique et en Chine.
La Chine dispose d'excellentes conditions de formation de minerai de lithium. Selon les conditions de formation du minerai de lithium et les lois en vigueur, la Chine a divisé le pays en 12 régions de formation de minerai de lithium, telles que Songpan-Ganzi, Altai, Tibet du Nord et Qaidam. Les ressources potentielles en lithium (LiCl) des mines de lithium en saumure sont estimées à 92,48 millions de tonnes, dont 52,21 millions de tonnes dans un rayon de 500 mètres ; les ressources potentielles des mines de lithium en roche dure (Li2O) sont estimées à 5,94 millions de tonnes, dont 4,96 millions de tonnes dans un rayon de 500 mètres. Les ressources potentielles prévues équivalentes au lithium métallique s'élèvent à 17,6 millions de tonnes (équivalentes au carbonate de lithium de 93,67 millions de tonnes), avec un taux de ressources confirmées de seulement 25,4%.

En 2015, la consommation totale a atteint 78 700 tonnes d'équivalent carbonate de lithium, soit 37,2% du total mondial. Cette année-là, la consommation chinoise de produits à base de lithium se répartissait comme suit : 50,9% pour les batteries, 15,3% pour les lubrifiants, 12,8% pour la vitrocéramique, 8,2% pour les produits pharmaceutiques, 5,1% pour les colorants et les adsorbants, 4,2% pour les catalyseurs et 3,5% pour d'autres produits. Si nous estimons la demande de batteries lithium-ion en Chine à 125 GWh en 2020 (contre 30 GWh en 2016), la moitié des batteries étant des batteries ternaires (en supposant NCM523), et chaque kWh de batterie ternaire utilisant 0,52 kg de nickel (calculé en tant que nickel métallique), alors d'ici 2020, la quantité de nickel consommée par les batteries lithium-ion pour l'énergie atteindra 32 000 tonnes, une petite fraction de la consommation annuelle de nickel dans le pays. Par conséquent, on s'attend à ce que la croissance de la demande de nickel due aux batteries lithium-ion ne modifie pas la structure actuelle de l'offre et de la demande de ressources en nickel.

(2) Ressources en nickel

Les sociétés d'extraction et de production de minerai de nickel fournissent principalement du sulfate de nickel de qualité batterie comme matière première aux fabricants de matériaux d'électrodes positives pour batteries. Les ressources en nickel se trouvent dans les minerais de nickel latéritique. Les minerais de nickel latéritique sont principalement répartis dans deux régions tropicales : La Nouvelle-Calédonie et l'Australie orientale en Océanie, qui s'étendent vers le nord jusqu'à l'Indonésie et les Philippines en Asie du Sud-Est, et la région des Caraïbes en Amérique centrale. La plupart des gisements de nickel latéritique d'importance industrielle sont développés sur des roches ultramafiques, résultant d'une altération chimique extensive à long terme dans les régions tropicales ou subtropicales, composées de minerais argileux lâches contenant du fer, de l'aluminium, du silicium et d'autres oxydes hydratés.

L'Australie possède les réserves de nickel métal et les réserves de base les plus importantes au monde, représentant respectivement 37,8% et 19,6% du total mondial, les réserves étant principalement concentrées en Australie, en Nouvelle-Calédonie, en Russie, à Cuba, au Canada, au Brésil, en Afrique du Sud et en Indonésie, qui représentent 89,5% des réserves totales de nickel métal et 84,1% des réserves totales de nickel de base du monde. Les ressources en nickel de la Chine sont relativement rares, avec seulement 9,6% des réserves totales de minerai de nickel du pays, ce qui signifie que non seulement les réserves sont relativement petites, mais que les teneurs nationales en minerai de nickel latéritique sont également relativement faibles, ce qui entraîne des coûts d'extraction élevés et un manque de compétitivité pour les minerais de nickel latéritique de la Chine.

Actuellement, les ressources en nickel dans le monde sont principalement utilisées pour la production d'acier inoxydable, et les principaux domaines de consommation des ressources en nickel en Chine sont décrits ci-dessous. Si nous estimons que la demande de batteries lithium-ion en Chine sera de 125 GWh en 2020 (contre 30 GWh en 2016), la moitié des batteries étant des batteries ternaires (en supposant NCM523), et chaque kWh de batterie ternaire utilisant 0,52 kg de nickel (calculé en tant que nickel métallique), alors d'ici 2020, la quantité de nickel consommée par les batteries lithium-ion pour l'énergie atteindra 32 000 tonnes, une petite fraction de la consommation annuelle de nickel dans le pays. Par conséquent, on s'attend à ce que la croissance de la demande de nickel due aux batteries lithium-ion ne modifie pas la structure actuelle de l'offre et de la demande de ressources en nickel.

(3) Ressources en cobalt

Après l'extraction du minerai de cobalt, les entreprises de raffinage du cobalt produisent du sulfate de cobalt, qui est ensuite fourni en aval comme matière première pour les électrodes positives des batteries ternaires. Le cobalt est largement répandu sur Terre, mais on le trouve en faibles concentrations. Le cobalt est principalement associé au cuivre et au nickel, les ressources indépendantes en cobalt ne représentant que 17%.

Les gisements de cobalt pur (gisements d'arséniure de cobalt, gisements de sulfure de cobalt et gisements de fer cobaltifère) sont rares dans le monde. Les ressources en cobalt sont principalement associées aux gisements latéritiques de nickel, aux gisements magmatiques de sulfure de cuivre-nickel et aux gisements de cuivre gréseux. Les gisements de nickel latéritique sont principalement répartis dans des pays tels que Cuba, la Nouvelle-Calédonie et les Philippines au sein de la ceinture équatoriale ; les gisements magmatiques de sulfure de cuivre-nickel sont principalement répartis dans des pays tels que la Russie, le Canada, l'Australie et la Chine ; les gisements de cuivre gréseux se trouvent principalement au Congo (Kinshasa) et en Zambie. En outre, des quantités importantes de cobalt se trouvent dans les nodules de manganèse au fond des océans et dans les monts sous-marins, principalement dans l'océan Pacifique, ce qui représente des ressources potentielles pour l'avenir. La figure ci-dessous montre la répartition mondiale des ressources en cobalt. Les réserves mondiales de cobalt sont principalement concentrées au Congo (Kinshasa), en Australie, à Cuba, en Nouvelle-Calédonie, en Zambie et en Russie, représentant environ 80% des réserves mondiales totales de cobalt.