Qu'est-ce qu'une pile au lithium ?

1,Qu'est-ce qu'une pile au lithium ?

Une batterie au lithium (pile au lithium) est un type de batterie qui utilise du lithium métal ou un alliage de lithium comme matériau d'électrode négative et une solution électrolytique non aqueuse. Le principe de fonctionnement implique l'insertion et l'extraction continues d'ions lithium tout en se combinant avec des électrons. La structure de base d'une batterie au lithium comprend cinq parties : l'électrode positive, l'électrode négative, le séparateur, l'électrolyte et le boîtier. Elle présente des avantages tels qu'une énergie spécifique élevée, une longue durée de vie et un respect de l'environnement.
Les piles au lithium peuvent être classées en fonction de dimensions telles que la structure de la pile, le nombre d'utilisations, la structure externe et le matériau de l'électrode. Lorsqu'elles sont classées en fonction du nombre d'utilisations, elles peuvent être divisées en piles au lithium primaires et en piles au lithium secondaires. Les paramètres de performance courants des piles au lithium comprennent la tension en circuit ouvert, la tension de fonctionnement, la capacité nominale, la profondeur de décharge, le taux d'autodécharge, l'énergie de la pile et la résistance interne. Les batteries au lithium sont largement utilisées dans divers appareils et domaines, tels que les appareils portables, le stockage de l'énergie et les applications industrielles, les véhicules à énergie nouvelle représentant l'une des principales tendances.

2,L'histoire du développement des piles au lithium :

En 1913, le concept de piles au lithium métal a été proposé par le chimiste américain Gilbert N. Lewis et a fait l'objet de recherches plus approfondies. Toutefois, en raison de la nature hautement réactive du lithium métal, celui-ci est instable dans l'air et dans l'eau, ce qui explique le peu d'intérêt porté aux piles électrochimiques au lithium pendant plusieurs décennies, jusqu'aux années 1960.

La crise pétrolière des années 1970 a stimulé la recherche de sources d'énergie alternatives, et de nouvelles demandes sont apparues dans les domaines militaire, aérospatial, médical et autres pour des sources d'énergie ayant une densité énergétique supérieure à celle que les batteries conventionnelles peuvent fournir.

En 1958, William S. Harris a proposé d'utiliser des esters cycliques comme électrolytes pour les piles au lithium métal, donnant ainsi une nouvelle orientation à l'étude des piles au lithium organiques non aqueuses.

En 1962, lors d'une réunion de l'Electrochemical Society à Boston, Chilton Jr. et Cook de Lockheed Missile and Space Co. ont proposé l'idée d'un "système d'électrolyte non aqueux au lithium", qui a marqué la naissance du prototype des piles au lithium en introduisant le lithium métal réactif dans la conception des piles.

Entre-temps, des efforts ont été déployés pour fabriquer des piles au lithium rechargeables à partir des expériences réussies avec les piles au lithium primaires. En 1965, le chimiste allemand Walter Rüdorff a découvert que les ions lithium pouvaient être chimiquement intégrés dans une structure en couches de sulfure TiS2, ce qui a attiré l'attention de scientifiques à la recherche d'un stockage électrochimique réversible du lithium, tels que Stanley Whittingham.

Au début des années 1970, la NASA américaine et la société japonaise Matsushita Electric Industrial Co. ont mis au point une batterie primaire utilisant du graphite fluoré comme électrode positive et du lithium métallique, marquant ainsi la première commercialisation de batteries au lithium.

De 1972 à 1979, Stanley Whittingham, alors chercheur chez Exxon, a mené des études approfondies et prouvé que les sulfures métalliques en couches (TiS2) pouvaient stocker le lithium de manière réversible par voie électrochimique, ce qui a conduit au développement de piles au lithium rechargeables à partir de piles jetables. Il a construit un prototype de batterie lithium-métal rechargeable basé sur ce principe.

En 1980, le scientifique français Michel Armand a proposé pour la première fois l'idée d'utiliser des électrodes positives et négatives avec des mécanismes de stockage de lithium intégrés pour construire un nouveau type de système de batterie secondaire au lithium, connu sous le nom de batterie à bascule, où les ions lithium font la navette de manière réversible entre les électrodes positives et négatives pendant les processus de charge et de décharge. Toutefois, le terme "batterie lithium-ion" n'existait pas à l'époque.

En 1980, John B. Goodenough, alors professeur au département de chimie inorganique de l'université d'Oxford, a proposé d'utiliser comme électrodes positives des oxydes métalliques contenant du lithium plutôt que des sulfures métalliques sans lithium, dont la tension et la stabilité chimique étaient plus élevées. Après de longues recherches et explorations, il a fini par trouver l'oxyde de lithium et de cobalt en couches (LiCoO2, tension de décharge : 3,7 V, stable dans l'air), qui constituait un matériau d'électrode positive idéal pour construire le prototype d'une batterie lithium-ion de type rocking-chair.

En 1982, le Dr Yazami a démontré pour la première fois que le graphite pouvait stocker le lithium de manière réversible par voie électrochimique dans des électrolytes polymères sans solvants organiques liquides, confirmant ainsi la faisabilité de l'utilisation du carbone graphite comme matériau d'électrode négative pour les batteries lithium-ion. Par la suite, en 1983, le professeur Akira Yoshino de la société Asahi Kasei a proposé un prototype de batterie lithium-ion utilisant de l'oxyde de cobalt lithié comme électrode positive et du polyacétylène comme électrode négative. Cependant, en raison de la faible densité et capacité du polyacétylène et de sa mauvaise stabilité chimique, le professeur Akira Yoshino a commencé à rechercher d'autres matériaux à base de carbone. Au cours de ce processus d'exploration, il a découvert certains matériaux à base de carbone dotés de structures cristallines spéciales (nanofils de carbone cultivés par dépôt en phase vapeur) qui pouvaient éviter la co-intercalation et avaient une capacité plus élevée. En suivant cette voie de recherche, il a fini par trouver du coke de pétrole comme électrode négative et l'a utilisé avec de l'oxyde de cobalt et de lithium comme électrode positive pour construire le premier modèle de batterie lithium-ion au monde.

En 1983, M. Thackeray, J. Goodenough et d'autres ont découvert que l'oxyde de manganèse spinelle est un excellent matériau d'électrode positive, peu coûteux, stable et doté d'une excellente conductivité et d'une conductivité lithium-ion. Sa température de décomposition est élevée et sa capacité d'oxydation est beaucoup plus faible que celle de l'oxyde de cobalt et de lithium, ce qui évite les risques de combustion et d'explosion, même en cas de court-circuit ou de surcharge.

En 1988, la société canadienne Moli Energy Corporation a lancé la première batterie lithium-ion commerciale (Li/MoS2), qui a suscité une grande attention de la part de l'industrie. Cependant, malgré la démonstration réussie du principe de la chimie réversible du lithium-ion, la tendance des électrodes négatives en lithium métal à former des dépôts dendritiques de lithium au cours de cycles répétés, entraînant des courts-circuits internes et des incendies ou des explosions, constituait une préoccupation majeure.

En 1989, à la suite d'incendies et d'explosions, Moli Energy Corporation a dû rappeler ses piles à grande échelle. Par la suite, d'autres géants de la batterie, tels que Sony, Sanyo et Panasonic, ont également décidé de mettre fin à leurs activités de recherche et de développement de batteries secondaires au lithium métal, ce qui a mis un terme brutal à la commercialisation de ce type de batteries.

Au cours des années suivantes, le professeur Akira Yoshino, en collaboration avec des scientifiques de Sony Corporation, s'est concentré sur le développement de batteries lithium-ion commerciales. En juin 1991, Sony Corporation a présenté la première batterie lithium-ion commerciale (électrode positive : oxyde de cobalt de lithium, électrode négative : coke de pétrole, électrolyte : LiPF6-PC), marquant le début de l'ère des batteries lithium-ion.

En 1996, Padhi et Goodenough ont découvert des phosphates à structure olivine, tels que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), qui sont plus sûrs que les matériaux d'électrode positive traditionnels pour les batteries lithium-ion, particulièrement résistants aux températures élevées et à la surcharge, et dont les performances dépassent de loin celles des matériaux traditionnels pour les batteries lithium-ion. C'est pourquoi ils sont devenus les principaux matériaux d'électrode positive pour les batteries lithium-ion à décharge à courant élevé.

Dans les années 1990, les batteries lithium-ion pour les appareils personnels tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables ont été lancées. D'abord utilisées par l'industrie de la téléphonie mobile, elles ont ensuite été largement utilisées dans les haut-parleurs portables, les ordinateurs portables et d'autres appareils.

En 1998, l'Institut des sources d'énergie de Tianjin, en Chine, a commencé la production commerciale de batteries lithium-ion. Par convention, les batteries lithium-ion sont également appelées batteries au lithium, mais ces deux types de batteries sont différents. Les batteries lithium-ion sont devenues courantes.

Après 2006, la révolution de l'environnement et de l'énergie a fait exploser la demande de véhicules électriques, et les batteries lithium-ion dotées de performances adaptées aux batteries secondaires automobiles, telles qu'une tension élevée et une grande densité énergétique, ont également été utilisées à des fins liées aux véhicules électriques. Dans les jours qui ont suivi, les batteries lithium-ion ont continué à progresser et ont été largement utilisées dans divers produits de base, prospérant encore aujourd'hui.

En octobre 2018, l'équipe du professeur Liang Jiajie et du professeur Chen Yongsheng de l'Université de Nankai en Chine a collaboré avec l'équipe du professeur Lai Chao de l'Université normale de Jiangsu pour préparer avec succès un support poreux tridimensionnel nanofils d'argent-graphène structuré à plusieurs niveaux, qui a chargé du lithium métallique en tant que matériau d'électrode négative composite. Ce support peut supprimer la croissance des dendrites de lithium, ce qui permet de charger les batteries très rapidement et d'allonger considérablement la durée de vie des batteries au lithium.

En 2020, Chen Liqian, 80 ans, premier expert chinois en piles au lithium, et son équipe ont mis au point un nouveau type de matériau pour les piles, les piles au lithium au nanosilicium, dont la capacité est cinq fois supérieure à celle des piles au lithium traditionnelles.

En novembre 2021, l'équipe dirigée par le Dr Wang Zhaoyang, membre de l'Académie nationale des inventeurs des États-Unis, a inventé une batterie tout temps capable de résoudre le problème de l'intolérance des batteries au lithium aux basses températures. Cette technologie a été adoptée pour les Jeux olympiques d'hiver de 2022 à Pékin et est devenue l'une des technologies de base des véhicules électriques pour les Jeux olympiques.

En 2023, l'équipe du professeur Su Xin du centre de recherche sur les technologies avancées des batteries au lithium de l'Institut de technologie de Harbin (Weihai), en Chine, a mis au point une nouvelle technologie qui permet non seulement d'augmenter la durée de vie des batteries au lithium de 20%, mais aussi de maintenir une diminution de la capacité de la batterie inférieure à 20% dans des environnements à température extrêmement basse, à savoir moins 43 degrés Celsius (°C).

3,Structure de base de la pile au lithium

Électrode positive

Les types de matériaux d'électrode positive peuvent être grossièrement divisés en cobaltate de lithium (LiCoO2), manganate de lithium (LiMn2O4), phosphate de fer lithié (LiFePO4), etc. Le choix des matériaux d'électrode positive a une incidence directe sur les performances des batteries au lithium en cours de fonctionnement. Pendant la charge et la décharge, les ions lithium de l'électrode positive subissent des réactions d'insertion et d'extraction.

Électrode négative

Les matériaux d'électrode négative se divisent grosso modo en deux types : les matériaux d'électrode négative à base d'étain et d'alliage, qui en sont encore au stade expérimental et n'ont pas été largement utilisés dans les produits commerciaux. Le deuxième type est celui des matériaux d'électrode négative à base de carbone, généralement le graphite, qui est largement utilisé dans la pratique. Il s'agit d'un matériau sûr, non toxique et à longue durée de vie. Il possède une capacité spécifique élevée et une réversibilité pendant la charge et la décharge, ce qui lui permet de conserver une bonne stabilité pendant le fonctionnement de la batterie.

Séparateur

Les principaux matériaux du séparateur sont le polyéthylène (PE) obtenu par voie humide et le polypropylène (PP) obtenu par voie sèche. Il a des fonctions de perméabilité et de protection, et est placé entre les électrodes positives et négatives. La taille des pores du séparateur doit permettre aux ions lithium de passer normalement pendant le fonctionnement de la batterie, tout en empêchant la pénétration d'autres substances, ce qui permet d'éviter efficacement les courts-circuits internes causés par un contact direct entre les deux matériaux actifs des électrodes. Il peut maintenir une stabilité suffisante sous l'effet de forces externes telles que la perforation et l'étirement.

Électrolyte

L'électrolyte est principalement composé de sel de lithium, de solvant organique et des additifs nécessaires. Il assure une meilleure transmission des ions entre les électrodes positives et négatives, maintenant la force de la batterie pendant un fonctionnement continu. Dans des conditions de température élevée ou basse, l'électrolyte des piles au lithium détermine essentiellement la durée de vie et les performances de sécurité de la pile.

Enveloppe

Le boîtier protège les matériaux internes de la batterie. Il est léger et présente une série de caractéristiques de haute résistance telles que l'antidéflagrance, la résistance aux températures élevées et la résistance à la corrosion. Il supprime efficacement la réaction de polarisation de la batterie, améliore la consistance des batteries au lithium et, par conséquent, la durée de vie du cycle.

4,Matériaux clés de la batterie au lithium

Matériau de l'électrode positive

Les matériaux d'électrode positive représentent 20%-30% du coût de production des piles au lithium et sont un facteur important qui détermine la performance des piles au lithium. Les principales voies techniques comprennent le cobaltate de lithium, le manganate de lithium, le phosphate de fer de lithium, les matériaux ternaires, etc. Avec les progrès technologiques, les matériaux ternaires à haute teneur en nickel, qui présentent des avantages en termes de densité énergétique, et le phosphate de fer et de manganèse au lithium, qui présente des avantages en termes de sécurité et d'économie, sont les principaux axes de développement.

Matériau de l'électrode négative

En tant que porteurs d'ions lithium et d'électrons, les matériaux d'électrodes négatives assurent principalement les fonctions de stockage et de libération de l'énergie, ce qui affecte directement la densité énergétique, la durée de vie, la sécurité et la capacité de charge rapide des batteries. Actuellement, le graphite artificiel est le principal matériau d'électrode négative, représentant environ 10%-15% du coût des batteries lithium-ion.

Électrolyte

L'électrolyte est composé d'un solvant, d'un sel de lithium et d'un électrolyte. Les composants les plus importants sont le sel de lithium et les additifs, représentant respectivement environ 12% et 8%. L'électrolyte a un impact significatif sur les performances globales des batteries au lithium, telles que les performances à haute et basse température, les performances en termes de taux et de sécurité.

Séparateur

Le séparateur de la batterie au lithium est un matériau important qui détermine les performances, la sécurité et le coût de la batterie. Parmi les quatre principaux matériaux des batteries lithium-ion, le coût du séparateur ne vient qu'après celui du matériau de l'électrode positive, soit environ 10%-15%, et il est même plus élevé dans certaines batteries haut de gamme. Le séparateur est situé entre les électrodes positives et négatives de la batterie au lithium. Sa fonction principale est de séparer les matériaux actifs des électrodes positive et négative afin d'éviter les courts-circuits causés par le contact entre les deux électrodes. En outre, lors des réactions électrochimiques, le séparateur peut également maintenir l'électrolyte nécessaire et former un canal pour le mouvement des ions.

5,Paramètres techniques de la pile au lithium

Tension en circuit ouvert : La tension en circuit ouvert (OCV) fait référence à la différence de potentiel entre les électrodes positives et négatives de la batterie lorsqu'aucun courant ne passe. La tension de circuit ouvert est liée à des facteurs tels que l'activité des matériaux des électrodes positives et négatives, la solution électrolytique et l'environnement, plutôt qu'à la taille et à la structure interne de la batterie. Dans le système de gestion de la batterie, la tension en circuit ouvert peut également prédire l'état de charge (SOC) de la batterie, qui est mesuré par des expériences de charge et de décharge à courant constant.

Tension de fonctionnement : La tension de fonctionnement, également appelée tension aux bornes de la batterie, fait référence à la différence de potentiel entre les électrodes positives et négatives de la batterie lorsqu'une charge est connectée. Pendant le processus de décharge de la batterie, la tension aux bornes est inférieure à la tension en circuit ouvert, tandis que pendant le processus de charge, elle est supérieure à la tension en circuit ouvert. La tension aux bornes de la batterie est également affectée par la température et le taux de décharge. En général, plus la température est élevée, plus la tension aux bornes augmente rapidement ; plus le taux de décharge est élevé, plus la tension aux bornes diminue.

Capacité nominale : La capacité nominale fait référence à la quantité minimale d'électricité que la batterie peut décharger dans les conditions de conception et de fabrication.

Profondeur de décharge (DOD) : La profondeur de décharge fait référence à l'étendue de la décharge pendant la décharge de la batterie, également exprimée en pourcentage de la capacité nominale déchargée au cours d'une certaine période. La profondeur de décharge est généralement associée à l'état de charge (SOC), les deux étant liés. L'état de charge est le rapport entre la capacité restante de la batterie et sa capacité entièrement chargée. Lorsque la batterie se décharge de la même quantité de charge que la capacité nominale, l'état de charge est réduit à 0 et l'autonomie de la batterie est de 100%.

Taux de décharge : Le taux de décharge fait référence à la valeur de courant nécessaire pour que la batterie décharge la capacité nominale dans le temps spécifié. Dans le même laps de temps, la quantité de décharge est généralement un nombre entier ou une fraction de la capacité nominale de la batterie, et c'est également un paramètre important pour caractériser les caractéristiques de puissance de la batterie. Par exemple, décharger une batterie d'une capacité de 30 Ah à un taux de décharge de 1C signifie décharger la batterie avec un courant de 30 ampères.

Taux d'autodécharge : Le taux d'autodécharge, également connu sous le nom de capacité de rétention de charge, fait référence à la capacité de la batterie à maintenir sa charge dans un état stable. Le taux d'autodécharge des piles au lithium est lié à des facteurs tels que la pureté des matières premières pendant le traitement, les processus de fabrication et la température ambiante. À température ambiante, le taux d'autodécharge des piles au lithium est de 5%-8%. Lorsque la température est plus élevée, pour un courant d'autodécharge donné, la valeur SOC de la batterie sera plus faible. Lorsque le courant d'autodécharge est plus élevé, pour une température donnée, la valeur SOC de la batterie sera plus élevée, et la batterie consommera plus d'électricité lorsque la température et le courant d'autodécharge sont tous deux élevés.

Énergie de la batterie : L'énergie de la batterie fait référence à la capacité de la batterie à convertir l'énergie chimique en énergie électrique dans certaines conditions de décharge. Son unité est généralement exprimée en wattheures (Wh) ou en kilowattheures (kWh).

Résistance interne de la batterie : La résistance interne de la batterie fait référence à la résistance rencontrée lorsque le courant passe à travers la batterie pendant les processus de charge et de décharge. La résistance n'est pas une valeur fixe ; elle change continuellement pendant les processus de charge et de décharge et constitue un indicateur important des performances de la batterie. La résistance est l'un des indicateurs importants pour décrire l'état de santé de la batterie. Pendant la charge et la décharge, la résistance interne de la batterie affecte la tension aux bornes et la tension en circuit ouvert de la batterie au lithium, et la résistance interne change également en permanence, sous l'effet de facteurs tels que la concentration de l'électrolyte, la température ambiante et les réactions électrochimiques. Elle est généralement divisée en résistance ohmique et résistance de polarisation. La résistance ohmique existe dans les électrodes et l'électrolyte de la batterie, ce qui empêchera la batterie lithium-ion d'être totalement équivalente à une source d'énergie idéale. La résistance générée par le mouvement interne de la batterie est appelée résistance ohmique. La résistance ohmique est l'un des paramètres importants des batteries au lithium, et sa taille est liée à des facteurs tels que le type de batterie, la structure de la batterie et la concentration de l'électrolyte. Pendant le processus de charge et de décharge des batteries au lithium, les électrodes positives et négatives de la batterie subissent des réactions chimiques qui génèrent une résistance de polarisation.

6,Principe de fonctionnement de la pile au lithium

Le principe de fonctionnement d'une batterie au lithium est la réaction continue d'insertion et d'extraction d'ions lithium, combinés à des électrons. Le lithium est le plus facilement ionisé, et l'électrolyte entre le graphite et les oxydes métalliques agit comme une protection. Pendant la charge, le séparateur ne laisse passer que le Li+. Le côté positif de la source d'énergie attire et repousse les électrons et les ions des atomes de lithium dans les oxydes métalliques, et le Li+ ne peut pas passer à travers l'électrolyte, s'écoulant à travers le circuit externe pour atteindre la couche de graphite, le Li+ est attiré par l'électrode négative en raison de ses propres caractéristiques et passe à travers le séparateur pour atteindre l'espace de graphite de l'électrode négative. Lorsque tous les atomes de lithium atteignent la couche de graphite, cela signifie que la batterie est complètement chargée, Li+ et e - sont détachés de l'oxyde de l'électrode positive structurellement. Pendant la décharge, Li+ veut retrouver un état stable en tant que partie de l'oxyde de l'électrode positive. En raison de cette tendance, Li+ traverse l'électrolyte et retourne à l'électrode positive, et e - se déplace également dans la direction opposée pour maintenir l'équilibre de charge de l'électrode positive, fournissant ainsi de l'énergie à l'extérieur.

7,Méthodes de chargement de la batterie au lithium

Il existe deux méthodes principales de chargement des batteries au lithium, à savoir le mode de chargement à courant constant et le mode de chargement à tension constante. Qu'il s'agisse du mode de charge à courant constant ou du mode de charge à tension constante, le processus de charge peut être divisé en quatre étapes : la charge de maintien (précharge à basse tension), la charge à courant constant, la charge à tension constante et la fin de la charge.

Première étape : Charge de maintien. Elle applique principalement la charge de maintien (charge de restauration) aux éléments de la batterie qui sont complètement déchargés, c'est-à-dire que la charge de maintien est utilisée lorsque la tension de la batterie est inférieure à 3V. Le courant de charge de maintien est un dixième du courant en mode de charge à courant constant, c'est-à-dire 0,1C (C est une méthode de représentation du courant par rapport à la capacité nominale de la batterie, par exemple, si la capacité de la batterie est de 1000 mA-h, 1C représente un courant de charge de 1000mA).

Deuxième étape : Chargement à courant constant. Lorsque la tension de la batterie dépasse le seuil de la charge de maintien, le courant de charge est augmenté pour effectuer une charge à courant constant. En général, le courant de charge à courant constant est de l'ordre de 0,21,0C. À ce moment-là, la tension de la batterie augmente progressivement avec le processus de charge à courant constant. En général, la tension réglée pour une batterie à cellule unique est de 3,04,2 V.

Troisième étape : Chargement à tension constante. Lorsque la tension de la batterie atteint 4,2 V, la phase de charge à courant constant se termine et la phase de charge à tension constante commence. À ce moment-là, la variation du courant dépend du degré de saturation du cœur de la batterie. Au fur et à mesure que le processus de charge se poursuit, le courant de charge diminue progressivement à partir de la valeur maximale. Lorsqu'il descend à 0,05C, on considère que la charge est terminée.

Quatrième étape : L'arrêt de la facturation. Il existe deux méthodes principales pour mettre fin à la charge. La première méthode consiste à déterminer le courant de charge minimum ou à utiliser une minuterie (ou une combinaison des deux). La méthode du courant minimum est utilisée pour surveiller le courant de charge pendant la phase de charge à tension constante, et la charge est interrompue lorsque le courant de charge diminue jusqu'à 0,05C (ou une valeur comprise entre 0,02 et 0,07C). La seconde méthode utilise une méthode temporelle, avec l'heure de début de la phase de charge à tension constante comme heure initiale, et le processus de charge s'arrête après une charge continue de 2 heures.

Les batteries complètement déchargées ont besoin de 2,5 à 3 heures pour effectuer les quatre étapes de charge ci-dessus. Une fois la charge terminée, si la tension de la batterie est détectée comme étant inférieure à 3,89 V, elle sera rechargée.

8,Principales classifications des piles au lithium

Selon la structure de la batterie

Les piles au lithium peuvent être classées en deux grandes catégories en fonction de leur structure : les piles au lithium métal et les piles au lithium-ion.

La principale différence entre les batteries au lithium métal et les batteries au lithium-ion réside dans l'électrode négative. Dans les batteries au lithium métal, l'électrode négative est du lithium métallique, alors que dans les batteries lithium-ion, des matériaux tels que le graphite, le silicium et l'oxyde de titane et de lithium (communément appelés matériaux "hôtes") sont utilisés comme électrode négative. Les piles au lithium métal comprennent les piles primaires et les piles secondaires, telles que les piles à pièces et les piles boutons. Les piles au lithium métal sont couramment utilisées dans des applications telles que les montres, les calculatrices et les appareils photo.

Les batteries lithium-ion consistent principalement en une série de batteries dont les électrodes positives sont constituées de matériaux ternaires et les électrodes négatives de matériaux tels que le graphite, le silicium et l'oxyde de lithium et de titane. En raison des problèmes de sécurité liés au dépôt de dendrites de lithium pendant le processus de charge des batteries au lithium métal, qui peuvent provoquer des courts-circuits et des problèmes de sécurité, les batteries au lithium-ion sont actuellement plus largement utilisées. Les batteries lithium-ion sont couramment utilisées dans l'industrie de l'électronique grand public, comme les téléphones mobiles et les ordinateurs portables.

Selon la fréquence d'utilisation

Les piles au lithium sont divisées en piles primaires (non rechargeables) et en piles secondaires (rechargeables), qui peuvent être utilisées plusieurs fois.

Les piles primaires, également appelées piles jetables, ne peuvent convertir l'énergie chimique en énergie électrique qu'une seule fois et ne peuvent pas être ramenées à l'énergie chimique (ou ont une très faible réversibilité). Il existe différents types de piles au lithium non rechargeables, les plus courantes étant les piles au lithium-dioxyde de manganèse, les piles au lithium-chlorure de thionyle et les piles au lithium contenant d'autres composés.

Les batteries secondaires, également appelées batteries rechargeables, peuvent convertir l'énergie électrique en énergie chimique pour la stocker, puis la reconvertir en énergie électrique en cas de besoin. Il existe différents types de batteries rechargeables au lithium, telles que les batteries à l'oxyde de lithium-vanadium, les batteries lithium-ion et les nouvelles batteries lithium-polymère développées à l'étranger. Les batteries lithium-ion sont les plus utilisées actuellement dans les téléphones portables, mais elles ne doivent pas être surchargées ou déchargées en cours d'utilisation, car cela pourrait les endommager ou les rendre inutilisables. C'est pourquoi les batteries lithium-ion sont équipées de composants ou de circuits de protection afin d'éviter des dommages coûteux. Les exigences de charge des batteries lithium-ion sont élevées, et il est nécessaire de veiller à ce que la précision de la tension de terminaison soit inférieure à 1%. Les principaux fabricants de semi-conducteurs ont mis au point divers circuits intégrés de charge des batteries lithium-ion afin de garantir une charge sûre, fiable et rapide.

Selon la structure externe

En fonction de leur structure externe, les piles peuvent être classées en trois types : les piles au lithium à poche, les piles au lithium cylindriques et les piles au lithium prismatiques.

Selon le matériau de l'électrode

Batterie au phosphate de fer lithié (LFP) : La batterie au phosphate de fer-lithium utilise le phosphate de fer-lithium comme matériau d'électrode positive. Également connue sous le nom de batterie lithium-ion au phosphate de fer, elle est particulièrement adaptée aux applications énergétiques en raison de ses performances, d'où son appellation de batterie électrique au phosphate de fer lithium ou de batterie électrique au fer lithium. Sur le marché des métaux, le cobalt (Co) est le plus cher, mais ses réserves sont limitées, tandis que le nickel (Ni) et le manganèse (Mn) sont relativement moins chers, et le fer (Fe) est le moins cher. Le prix des matériaux d'électrode positive suit également l'évolution du prix de ces métaux. Par conséquent, les batteries fabriquées avec des matériaux d'électrodes positives devraient être les moins chères.

Batterie à l'oxyde de lithium et de cobalt (LCO) : La batterie à l'oxyde de lithium et de cobalt présente une structure stable, une capacité spécifique élevée et des performances globales remarquables. Cependant, sa sécurité est médiocre et son coût élevé. Elle est principalement utilisée dans les piles de petite et moyenne taille et est largement utilisée dans les petits appareils électroniques tels que les ordinateurs portables, les téléphones mobiles, les lecteurs MP3/MP4, etc. avec une tension nominale de 3,7 V.

Batterie à l'oxyde de lithium et de manganèse (LMO) : La batterie à l'oxyde de lithium et de manganèse fait référence aux batteries dont l'oxyde de lithium et de manganèse est le matériau de l'électrode positive. La tension nominale des piles à l'oxyde de lithium et de manganèse est comprise entre 2,5 et 4,2 V. L'oxyde de lithium et de manganèse est un matériau d'électrode positive peu coûteux, sûr et présentant de bonnes performances à basse température, d'où sa large utilisation. Cependant, le matériau lui-même n'est pas très stable et a tendance à se décomposer pour produire du gaz. Par conséquent, il est souvent mélangé à d'autres matériaux pour réduire le coût des cellules de batterie, ce qui entraîne une diminution plus rapide de la durée du cycle, un gonflement, une mauvaise performance à haute température et une durée de vie relativement courte. Il est principalement utilisé dans les cellules de batteries de grande et moyenne taille pour les batteries de puissance, avec une tension nominale de 3,7V.

Batterie polymère ternaire : La batterie au lithium polymère ternaire fait référence aux batteries au lithium avec des matériaux ternaires tels que le nickel-cobalt-manganèse-lithium ou le nickel-cobalt-aluminium-lithium comme matériau d'électrode positive. La tension nominale de cette batterie a atteint 3,7 V, et sa capacité a atteint, voire dépassé, celle des batteries à l'oxyde de cobalt et de lithium.

Batterie à l'oxyde de lithium et de titane (LTO) : La batterie à l'oxyde de lithium et de titane est une batterie secondaire au lithium-ion avec de l'oxyde de lithium et de titane comme matériau d'électrode négative, qui peut être utilisé en combinaison avec des matériaux d'électrode positive tels que l'oxyde de manganèse, les matériaux ternaires ou le phosphate de fer lithié pour former des batteries secondaires au lithium-ion d'une tension de 2,4V ou 1,9V. En outre, il peut également être utilisé comme électrode positive pour former des batteries secondaires au lithium-ion d'une tension de 1,5 V lorsqu'il est combiné à du lithium métallique ou à des alliages de lithium.

9,Principales caractéristiques des piles au lithium

Avantages

Densité énergétique élevée : La densité énergétique désigne l'énergie par unité de masse ou de volume, mesurée en Wh/kg ou Wh/L. Les piles au lithium ont une densité énergétique de stockage élevée, atteignant actuellement 460600 Wh/kg, soit 67 fois celle des piles au plomb-acide.

Longue durée de vie : La durée de vie peut dépasser 6 ans. En utilisant le phosphate de fer lithié comme matériau d'électrode positive, les batteries déchargées et rechargées à 1C (profondeur de décharge de 100%, 100% DOD) ont un record d'utilisation allant jusqu'à 10 000 cycles.

Tension nominale élevée : La tension de fonctionnement par cellule est de 3,7 V ou 32 V, ce qui est approximativement égal à la tension en série de 3 piles rechargeables au nickel ou plus, facilitant ainsi la formation de blocs d'alimentation.

Capacité de gestion de la puissance élevée : Les batteries au phosphate de fer lithié utilisées dans les véhicules électriques peuvent atteindre une capacité de charge et de décharge de 15~30C, ce qui facilite les démarrages et les accélérations à haute intensité.

Faible taux d'autodécharge : C'est l'un des avantages les plus remarquables de ces piles. Les piles au lithium se chargent rapidement et atteignent leur état optimal en 1 à 2 heures seulement. En outre, les fuites sont rares et le taux d'autodécharge est généralement inférieur à 1% par mois, soit moins de 1/20 des piles au nickel-métal-hydrure.

Légèreté : Le poids par unité de volume est d'environ 1/6~1/5 de celui des batteries au plomb.

Forte adaptabilité à la température : Ils peuvent être utilisés dans des environnements allant de -20 à 60 degrés Celsius et, avec un traitement approprié, peuvent même être utilisés dans des environnements aussi froids que -45 degrés Celsius.

Respectueux de l'environnement : ils ne contiennent ni ne produisent d'éléments et de substances toxiques à base de métaux lourds, tels que le plomb et le mercure, que ce soit lors de la production, de l'utilisation ou de l'élimination. Le processus de production consomme peu d'eau, ce qui contribue de manière significative à la conservation des ressources en eau.

Pas d'effet mémoire : Les piles au lithium peuvent être partiellement chargées et déchargées sans que leur capacité ne soit réduite.

Inconvénients

Impédance interne élevée : En raison de l'électrolyte à solvant organique utilisé dans les piles au lithium, leur conductivité est beaucoup plus faible que celle des électrolytes des piles nickel-cadmium et nickel-hydrure métallique, ce qui se traduit par une impédance interne environ 11 fois supérieure à celle des piles nickel-hydrure métallique et des piles nickel-cadmium.

Variation importante de la tension en cours de fonctionnement : Lorsqu'elles sont déchargées à 80% de la capacité nominale, la variation de tension des piles au nickel est minime (environ 20%), alors que les piles au lithium ont une variation de tension plus importante (environ 40%), ce qui constitue un sérieux inconvénient pour l'alimentation par batterie. Toutefois, en raison de la tension de décharge élevée des piles au lithium, la capacité restante de la pile peut être facilement détectée.

Coût élevé : Le matériau de l'électrode est relativement coûteux.

Exigences strictes en matière d'assemblage des piles au lithium : L'assemblage doit se faire dans des conditions de faible humidité et la structure de la batterie est complexe, ce qui nécessite des circuits de protection spéciaux pour éviter la surcharge ou la décharge excessive de la batterie.

Mauvaise sécurité : L'utilisation d'électrolytes organiques dans les piles au lithium présente certains risques pour la sécurité.

10,Situation actuelle et sécurité du transport des piles au lithium

Situation actuelle

Les batteries au lithium ont une densité énergétique élevée et sont sujettes aux incendies et aux explosions. Depuis leur commercialisation, de nombreux incidents se sont produits : en novembre 2005, Nikon a rappelé d'urgence une batterie lithium-ion d'appareil photo numérique en raison de problèmes d'explosion, de surchauffe et de fonte de la batterie. En août 2006, les fabricants d'ordinateurs Dell et Apple ont annoncé le rappel de millions de batteries lithium-ion pour ordinateurs portables en raison de problèmes de sécurité. En 2016, le smartphone phare de Samsung, le Galaxy Note 7, a connu plus de trente explosions et incendies causés par des défauts de batterie dans le mois qui a suivi son lancement, ce qui a conduit à l'abandon du produit. Le 7 mai 2017, un camion transportant des batteries lithium-ion 18650 a pris feu dans le centre logistique Huacheng de Shenzhen, soupçonné d'être causé par une collision entre les batteries pendant le transport, etc.

Sécurité des transports

Le danger des piles au lithium dépend principalement de leur teneur en lithium, car le lithium est un métal réactif, inflammable, qui réagit violemment avec l'eau en dégageant de l'hydrogène. Une mauvaise manipulation pendant le transport peut endommager la batterie et provoquer des températures élevées, voire une combustion ou une explosion. C'est pourquoi la sécurité du transport des piles au lithium est de plus en plus mise en avant.

En 1956, la "Recommandation relative au transport des marchandises dangereuses (TMD)" a été publiée pour la première fois par le Comité d'experts sur le transport des marchandises dangereuses du Conseil économique et social des Nations unies, fournissant des réglementations faisant autorité sur la sécurité du transport des piles et servant d'exigence fondamentale pour la sécurité du transport des piles. Ce comité a été réorganisé en 2001 et rebaptisé "Comité d'experts du transport des marchandises dangereuses et du système général harmonisé de classification et d'étiquetage des produits chimiques".

En 2017, l'Association internationale du transport aérien (IATA) a publié la 58e édition (2017) du Règlement sur les marchandises dangereuses (DGR), qui comprend des exigences spécifiques pour le transport des piles au lithium.

En janvier 2017, la Chine a commencé à mettre en œuvre l'édition 37-14 du "Code maritime international des marchandises dangereuses" (IMDG) publié par l'Organisation maritime internationale, dont le contenu concerne les piles au lithium.

En 2023, l'Administration nationale des chemins de fer de Chine, le Ministère de l'industrie et des technologies de l'information et le China State Railway Group Co. ont publié le "Guidance on the Railway Transportation of Consumer Lithium Battery Goods", qui stipule explicitement que les piles au lithium de consommation qualifiées ne sont pas considérées comme des marchandises dangereuses pendant le transport par chemin de fer.

11,Technologies clés des piles au lithium

Le processus de production des batteries au lithium est divisé en trois étapes principales, à savoir la préparation des électrodes, la production des cellules et l'assemblage des batteries. Dans le processus de production des batteries au lithium, la préparation des électrodes est la base de tous les processus et l'étape initiale de la technologie des projets de batteries au lithium. La production de cellules de batteries au lithium est le cœur de l'ensemble du processus et la partie la plus critique, tandis que la dernière étape est l'assemblage de la batterie, qui a un impact significatif sur la qualité du produit fini de la batterie au lithium. Plus précisément, le processus de production des batteries au lithium comprend l'enrobage des électrodes positives, l'enrobage des électrodes négatives, la production de feuilles d'électrodes positives, la production de feuilles d'électrodes négatives, l'assemblage de la coque, le remplissage des cellules, les essais et l'emballage.

Contrôle de l'humidité : Les paramètres de charge d'humidité de l'équipement de traitement des piles au lithium doivent être maintenus dans une certaine fourchette, ce qui exige que l'environnement de production soit constitué d'air sec ; les performances d'étanchéité des conduits d'alimentation en air et l'enceinte des ateliers de production sont également des facteurs d'influence cruciaux.

Pressage thermique des piles au lithium : Le séparateur de la batterie, en tant que composant central de la batterie, joue un rôle crucial en isolant la conduction des électrodes positives et négatives et en permettant le passage réciproque des ions lithium entre les électrodes. La structure microporeuse du séparateur est un canal important pour la navette de ces ions entre les électrodes positives et négatives. Sa perméabilité aux gaz affecte directement les performances de la batterie. (La perméabilité au gaz du séparateur fait référence à la quantité de gaz qui traverse le séparateur sous une certaine pression et dans un certain laps de temps). Si la perméabilité au gaz du séparateur est mauvaise, elle affectera le transfert des ions lithium entre les électrodes positives et négatives, affectant ainsi la charge et la décharge de la batterie au lithium. Le processus d'essai consiste à fixer le séparateur de batterie, à appliquer une pression d'un côté du séparateur, à mesurer la chute de pression et le temps utilisé, et à tester la perméabilité à l'air du séparateur. Plus le temps est court, meilleure est la perméabilité à l'air.

Revêtement conducteur : Également connu sous le nom de pré-revêtement, dans l'industrie des piles au lithium, il désigne généralement une couche de revêtement conducteur appliquée à la surface du collecteur de courant de l'électrode positive - la feuille d'aluminium. La feuille d'aluminium recouverte d'un revêtement conducteur est appelée feuille d'aluminium pré-revêtue ou simplement feuille d'aluminium revêtue. Les premières expériences dans le domaine des batteries remontent aux années 1970, et avec le développement de l'industrie des nouvelles énergies, en particulier l'essor des batteries au phosphate de fer-lithium, elles sont devenues une nouvelle technologie ou un nouveau matériau très populaire.

12,Recyclage et politiques des piles au lithium

Le traitement des batteries lithium-ion défectueuses comprend principalement des méthodes chimiques et des méthodes mécaniques (méthodes physiques) :

Dans la méthode de traitement chimique, le processus typique comprend le concassage, le traitement électrolytique, le grillage, la séparation magnétique, le broyage fin, la classification et le criblage, puis la fusion pour produire un alliage de cobalt de haute qualité, suivi d'un traitement humide pour produire du cobalt métallique ou du carbonate de cobalt et du carbonate de lithium. Le processus typique de la méthode mécanique (méthode physique) comprend le broyage, le traitement électrolytique, le traitement thermique, la séparation magnétique, le broyage fin, suivi de la classification, du criblage et de la séparation pour produire des déchets contenant du cuivre et du cobalt raffiné.

La Chine attache une grande importance au recyclage des batteries des véhicules à énergie nouvelle et a introduit une série de réglementations et de normes pour le recyclage des batteries. Ces normes et spécifications comprennent les "Mesures provisoires pour la gestion du recyclage et de l'utilisation des batteries électriques usagées pour les véhicules à énergie nouvelle", les "Conditions standard de l'industrie pour l'utilisation complète des batteries électriques usagées pour les véhicules à énergie nouvelle", les "Spécifications pour le stockage et le transport des déchets de batteries" (GB/T 26493-2011), les "Exigences pour le recyclage et l'élimination des batteries ioniques de communication" (GB/T 22425-2008), les "Exigences pour le recyclage et l'élimination des batteries à ions de communication" (GB/T 22425-2008), le "Code pour la gestion des batteries usagées" (WB/T 1061-2016), la "Détection de l'énergie résiduelle pour le recyclage des batteries de puissance automobile" (GB/T 34015-2017), et les "Spécifications de démantèlement pour le recyclage des batteries de puissance automobile" (GB/T 33598-2017), etc.

Parmi elles, les "Conditions standard de l'industrie pour l'utilisation complète des batteries d'énergie usagées pour les véhicules à énergie nouvelle" publiées en 2019 contiennent des dispositions claires sur l'utilisation complète des batteries d'énergie usagées, exigeant des entreprises engagées dans le recyclage qu'elles mènent des recherches et appliquent la technologie, l'équipement et les processus de recyclage en termes de matériaux d'électrodes positives et négatives, de séparateurs, d'électrolytes, etc. pour améliorer le niveau de recyclage des batteries d'énergie usagées. Les principaux métaux précieux tels que le nickel, le cobalt et le manganèse doivent avoir un taux de récupération global d'au moins 98%, et le taux de récupération du lithium ne doit pas être inférieur à 85%. Le taux de récupération global d'autres métaux précieux importants tels que les terres rares ne doit pas être inférieur à 97%. Si le processus de réparation des matériaux est adopté, le taux de récupération des matériaux ne doit pas être inférieur à 90%. Le taux de recyclage des eaux usées de traitement doit être supérieur à 90%.

13,Domaines d'application des piles au lithium

Secteur des transports

Les véhicules électriques hybrides utilisent principalement des batteries plomb-acide et nickel-hydrogène comme source d'énergie principale, avec des dizaines de condensateurs électrochimiques connectés en parallèle comme sources d'énergie de secours. Avec l'augmentation des circuits de contrôle électronique automobile, il y a une demande pour des sources d'énergie de secours avec une capacité plus élevée. Par rapport aux condensateurs électrochimiques actuels, les nouvelles batteries lithium-ion sont également très fiables et peuvent réduire considérablement l'espace et le poids, remplaçant progressivement les batteries traditionnelles plomb-acide et nickel-hydrogène. En outre, la pollution automobile s'aggravant, des mesures de contrôle et d'atténuation des émissions, du bruit, etc. sont devenues nécessaires, en particulier dans les villes densément peuplées et encombrées par la circulation. Les batteries au lithium, en raison de leurs caractéristiques non polluantes, peu polluantes et à énergie diversifiée, ont connu un développement important dans l'industrie des véhicules électriques, ce qui peut améliorer les conditions de pollution de l'environnement.

Secteur de l'électronique

Grâce à leur densité énergétique volumétrique élevée, les piles au lithium peuvent être plus petites et plus légères, et sont donc largement utilisées dans les produits électroniques portables. Avec la popularité des téléphones mobiles, des appareils photo numériques, des caméscopes, des ordinateurs portables et des consoles de jeux portables, les piles au lithium ont connu une croissance rapide et occupent la majorité des parts de marché. Avec l'amélioration des performances de charge et de décharge à courant élevé, les piles au lithium vont également étendre leurs applications aux téléphones sans fil et aux outils électriques.

Secteur aérospatial

Grâce aux avantages considérables qu'elles présentent, les batteries lithium-ion peuvent apporter une aide à la correction pendant le lancement et le vol dans le secteur aérospatial, ainsi que pendant les opérations au sol, et contribuer à l'amélioration de l'efficacité des batteries primaires et à la prise en charge des opérations nocturnes.

Secteur militaire

En raison de leur densité énergétique élevée, de leur légèreté et de leur petite taille, les batteries lithium-ion peuvent améliorer la flexibilité des armes et des équipements après leur assemblage. Par conséquent, dans le domaine de la défense nationale et militaire, les batteries lithium-ion couvrent de nombreuses armes, notamment terrestres (systèmes de soldats individuels, véhicules de l'armée, équipements de communication militaire, missiles), maritimes (torpilles, robots sous-marins), aériennes (avions de reconnaissance sans pilote) et spatiales (engins spatiaux à satellites).

Secteur du stockage de l'énergie

En raison de leur densité énergétique élevée et de leur longue durée de vie, les batteries au lithium sont largement utilisées dans le stockage de l'énergie, généralement comme conteneurs de stockage de l'énergie pour le transport ferroviaire, la production d'énergie photovoltaïque, les réseaux intelligents, les alimentations de secours et les alimentations militaires, qui sont étroitement liés à la technologie du stockage de l'énergie. Les batteries au lithium peuvent résoudre efficacement la nature intermittente du stockage de l'énergie photovoltaïque et du stockage de l'énergie éolienne, et fournir des garanties solides pour l'endurance des véhicules électriques. Les applications des piles au lithium dans le domaine du stockage de l'énergie comprennent les applications de stockage de l'énergie du côté de la production d'énergie, telles que les centrales de stockage solaire et les centrales de stockage éolien, les applications de stockage de l'énergie du côté de l'utilisateur, telles que les stations de recharge du stockage solaire, le stockage de l'énergie domestique et les alimentations de secours, ainsi que les applications de stockage de l'énergie dans les sous-stations, qui se traduisent principalement par le stockage de l'énergie dans les sous-stations et les centrales électriques virtuelles.

14,Les tendances de développement des piles au lithium

Niveau d'application

L'industrie des piles au lithium est un axe important du développement mondial des industries de haute technologie. Les piles au lithium présentent une excellente stabilité électrochimique, une densité énergétique élevée, une puissance spécifique élevée, un rendement de conversion élevé, une longue durée de vie, l'absence de pollution et de maintenance, ce qui en fait l'axe de développement des futures piles électriques. La plupart des secteurs de l'industrie automobile considèrent les batteries au lithium comme la principale source d'énergie pour les véhicules, et lorsqu'elles sont combinées à l'énergie du véhicule, elles peuvent être transformées en véhicules électriques ou en véhicules électriques hybrides. De plus en plus de véhicules à énergie nouvelle feront ainsi leur apparition dans la vie des citoyens. Cela permet non seulement de répondre aux exigences des déplacements écologiques et d'une vie à faible émission de carbone, mais aussi de réduire la pollution atmosphérique causée par les émissions de gaz d'échappement des véhicules, ce qui favorise le progrès et le développement des industries automobiles vertes connexes. En outre, grâce à l'innovation et au développement d'une technologie avancée des piles au lithium, ces dernières peuvent être appliquées à des domaines technologiques plus connexes, tels que les vols militaires ou aérospatiaux. De même, les batteries au lithium peuvent également être utiles comme batteries de satellite pour les petits satellites, permettant à ces petits satellites de remplir leurs fonctions, de réduire l'occurrence des pannes et de garantir que la batterie au lithium sera la batterie du satellite pendant une longue période à l'avenir.

Niveau technologique

Avec l'amélioration des capacités de recherche et de développement scientifique et technologique de la Chine, les technologies émergentes des piles au lithium, telles que les piles au lithium à l'état solide, les piles au lithium-soufre, etc. sont en phase de développement rapide. À l'avenir, la maturité et l'application de ces technologies amélioreront encore les performances des batteries au lithium et favoriseront leur application étendue dans le domaine du stockage de l'énergie. Par exemple, l'optimisation des matériaux et des processus de fabrication des batteries permet d'allonger leur durée de vie et de réduire les coûts d'entretien et la fréquence de remplacement des batteries.

Références

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