Aperçu de la batterie au lithium | Énergie renouvelable BSLBATT

BSLBATT Engineered Technologies fait appel à nos équipes expérimentées d'ingénierie, de conception, de qualité et de fabrication afin que nos clients puissent être assurés de solutions de batteries techniquement avancées qui répondent aux exigences uniques de leurs applications spécifiques. Nous sommes spécialisés dans la conception de piles au lithium et de blocs-batteries rechargeables et non rechargeables et travaillons avec une variété de compositions chimiques de piles au lithium pour offrir des options et des solutions pour des applications exigeantes dans le monde entier.

Batterie au lithium Technologies

Nos vastes capacités de fabrication nous permettent de construire des packs de batteries les plus basiques, jusqu'aux packs personnalisés dotés de circuits, de connecteurs et de boîtiers spécialisés. Qu'il s'agisse de volumes faibles ou élevés, nous disposons de la capacité et de l'expertise industrielle nécessaires pour répondre aux besoins uniques de tous les équipementiers, car notre équipe d'ingénieurs expérimentés peut concevoir, développer, tester et fabriquer des solutions de batteries personnalisées pour les besoins spécifiques de la plupart des applications.

BSLBATT propose des solutions clé en main basées sur les exigences et les spécifications du client. Nous travaillons en partenariat avec les principaux fabricants de cellules de l'industrie pour fournir les solutions optimales et nous développons et intégrons l'électronique de contrôle et de surveillance la plus sophistiquée dans ses packs de batteries.

Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?

Les batteries lithium-ion capitalisent sur le fort potentiel réducteur des ions lithium pour alimenter la réaction redox au cœur de toutes les technologies de batteries : réduction à la cathode, oxydation à l'anode. La connexion des bornes positives et négatives d’une batterie via un circuit unit les deux moitiés de la réaction redox, permettant au dispositif connecté au circuit d’extraire l’énergie du mouvement des électrons.

Bien qu'il existe aujourd'hui de nombreux types de produits chimiques à base de lithium utilisés dans l'industrie, nous utiliserons l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) — la chimie qui a permis aux batteries lithium-ion de remplacer les batteries nickel-cadmium qui étaient la norme pour les consommateurs. l'électronique jusqu'aux années 90 - pour démontrer la chimie de base derrière cette technologie populaire.

La réaction complète pour une cathode LiCoO2 et une anode en graphite est la suivante :

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Où la réaction directe représente la charge et la réaction inverse représente la décharge. Cela peut être décomposé en les demi-réactions suivantes :

Au niveau de l'électrode positive, une réduction à la cathode se produit pendant la décharge (voir réaction inverse).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

Au niveau de l'électrode négative, une oxydation au niveau de l'anode se produit lors de la décharge (voir réaction inverse).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Pendant la décharge, les ions lithium (Li+) se déplacent de l'électrode négative (graphite) à travers l'électrolyte (sels de lithium en suspension dans une solution) et le séparateur jusqu'à l'électrode positive (LiCoO2). Dans le même temps, les électrons se déplacent de l'anode (graphite) vers la cathode (LiCoO2) qui est connectée via un circuit externe. Si une source d'alimentation externe est appliquée, la réaction est inversée ainsi que les rôles des électrodes respectives, chargeant la cellule.

Que contient une batterie lithium-ion

Votre cellule cylindrique 18650 typique, qui est le facteur de forme commun utilisé par l'industrie pour les applications commerciales allant des ordinateurs portables aux véhicules électriques, a une OCV (tension en circuit ouvert) de 3,7 volts. Selon le fabricant, il peut délivrer environ 20 ampères avec une capacité de 3 000 mAh ou plus. La batterie sera composée de plusieurs cellules et comprendra généralement une micropuce de protection pour empêcher la surcharge et la décharge en dessous de la capacité minimale, ce qui peut entraîner une surchauffe, des incendies et des explosions. Examinons de plus près les composants internes d'une cellule.

Électrode positive/cathode

La clé pour concevoir une électrode positive est de choisir un matériau qui a un potentiel électrique supérieur à 2,25 V par rapport aux métaux au lithium pur. Les matériaux cathodiques dans le lithium-ion varient considérablement, mais ils contiennent généralement des oxydes de métaux de transition au lithium en couches, comme la conception de cathode LiCoO2 que nous avons explorée plus tôt. D'autres matériaux comprennent les spinelles (c'est-à-dire LiMn2O4) et les olivines (c'est-à-dire LiFePO4).

Électrode/Anode négative

Dans une batterie au lithium idéale, vous utiliseriez du lithium métallique pur comme anode, car il offre la combinaison optimale de faible poids moléculaire et de capacité spécifique élevée possible pour une batterie. Il existe deux problèmes principaux qui empêchent l’utilisation du lithium comme anode dans les applications commerciales : la sécurité et la réversibilité. Le lithium est très réactif et sujet à des modes de défaillance catastrophiques de type pyrotechnique. De plus, pendant la charge, le lithium ne retrouvera pas son état métallique uniforme d'origine, au lieu d'adopter une morphologie en forme d'aiguille connue sous le nom de dendrite. La formation de dendrites peut conduire à des séparateurs perforés pouvant entraîner des courts-circuits.

La solution conçue par les chercheurs pour exploiter les avantages du lithium métallique sans tous les inconvénients était l’intercalation du lithium – le processus de superposition d’ions lithium dans du graphite de carbone ou un autre matériau, pour permettre le mouvement facile des ions lithium d’une électrode à l’autre. D'autres mécanismes impliquent l'utilisation de matériaux d'anode avec du lithium qui rendent plus possibles des réactions réversibles. Les matériaux d'anode typiques comprennent le graphite, les alliages à base de silicium, l'étain et le titane.

Séparateur

Le rôle du séparateur est de fournir une couche d’isolation électrique entre les électrodes négative et positive, tout en permettant aux ions de la traverser pendant la charge et la décharge. Il doit également être chimiquement résistant à la dégradation par l'électrolyte et d'autres espèces présentes dans la cellule et suffisamment solide mécaniquement pour résister à l'usure. Les séparateurs lithium-ion courants sont généralement de nature très poreuse et sont constitués de feuilles de polyéthylène (PE) ou de polypropylène (PP).

Électrolyte

Le rôle d'un électrolyte dans une cellule lithium-ion est de fournir un milieu à travers lequel les ions lithium peuvent circuler librement entre la cathode et l'anode pendant les cycles de charge et de décharge. L’idée est de choisir un support qui soit à la fois un bon conducteur Li+ et un isolant électronique. L'électrolyte doit être thermiquement stable et chimiquement compatible avec les autres composants de la cellule. Généralement, les sels de lithium comme LiClO4, LiBF4 ou LiPF6 en suspension dans un solvant organique comme le carbonate de diéthyle, le carbonate d'éthylène ou le carbonate de diméthyle servent d'électrolyte pour les conceptions lithium-ion conventionnelles.

Interphase à électrolyte solide (SEI)

Un concept de conception important à comprendre à propos des cellules lithium-ion est l'interphase d'électrolyte solide (SEI) - un film de passivation qui s'accumule à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte lorsque les ions Li+ réagissent avec les produits de dégradation de l'électrolyte. Le film se forme sur l'électrode négative lors de la charge initiale de la cellule. Le SEI protège l'électrolyte d'une décomposition ultérieure lors des charges ultérieures de la cellule. La perte de cette couche passivante peut avoir un impact négatif sur la durée de vie, les performances électriques, la capacité et la durée de vie globale d'une cellule. D’un autre côté, les fabricants ont constaté qu’ils pouvaient améliorer les performances de la batterie en ajustant le SEI.

Découvrez la famille des batteries lithium-ion

L’attrait du lithium en tant que matériau d’électrode idéal pour les applications de batteries a conduit à la création de nombreux types de batteries lithium-ion. Voici cinq des batteries les plus courantes disponibles dans le commerce.

Oxyde de lithium et de cobalt

Nous avons déjà couvert en profondeur les batteries LiCoO2 dans cet article, car elles représentent la chimie la plus populaire pour les appareils électroniques portables comme les téléphones portables, les ordinateurs portables et les appareils photo électroniques. LiCoO2 doit son succès à sa haute énergie spécifique. Une courte durée de vie, une mauvaise stabilité thermique et le prix du cobalt incitent les fabricants à se tourner vers des conceptions à cathodes mixtes.

Oxyde de lithium et de manganèse

Les batteries au lithium-oxyde de manganèse (LiMn2O4) utilisent des cathodes à base de MnO2. Par rapport aux batteries LiCoO2 standard, les batteries LiMn2O4 sont moins toxiques, moins coûteuses et plus sûres à utiliser, mais avec une capacité réduite. Bien que des modèles rechargeables aient été explorés dans le passé, l'industrie actuelle utilise généralement cette chimie pour les piles primaires (à cycle unique) qui ne sont pas rechargeables et sont destinées à être éliminées après utilisation. Durables, avec une stabilité thermique élevée et une longue durée de conservation, ils sont parfaits pour les outils électriques ou les appareils médicaux.

Oxyde de cobalt de lithium-nickel-manganèse

Parfois, le tout est supérieur à la somme de ses parties, et les batteries lithium-nickel-manganèse-oxyde de cobalt (également connues sous le nom de batteries NCM) offrent des performances électriques supérieures à celles du LiCoO2. NCM tire sa force de l’équilibre entre les avantages et les inconvénients de ses matériaux cathodiques individuels. L'un des systèmes lithium-ion les plus performants du marché, le NCM est largement utilisé dans les groupes motopropulseurs tels que les outils électriques et les vélos électriques.

Phosphate de fer et de lithium

Les batteries au lithium fer phosphate (LiFePO4) atteignent une longue durée de vie et un courant nominal élevé avec une bonne stabilité thermique grâce à un matériau de cathode phosphate nanostructuré. Malgré ces améliorations, elle n’est pas aussi dense en énergie que les technologies à mélange de cobalt et présente le taux d’autodécharge le plus élevé des autres batteries de cette liste. Les batteries LiFePO4 sont populaires comme alternative au plomb-acide comme batterie de démarrage de voiture.

Titanate de lithium

Le remplacement de l'anode en graphite par des nanocristaux de titanate de lithium augmente considérablement la surface de l'anode jusqu'à environ 100 m2 par gramme. L'anode nanostructurée augmente le nombre d'électrons pouvant circuler dans le circuit, donnant aux cellules au titanate de lithium la capacité de se charger et de se décharger en toute sécurité à des vitesses supérieures à 10 °C (dix fois sa capacité nominale). Le compromis pour avoir le cycle de charge et de décharge le plus rapide des batteries lithium-ion est une tension relativement inférieure de 2,4 V par cellule, les cellules au titanate de lithium se situant à l'extrémité inférieure du spectre de densité énergétique des batteries au lithium, mais toujours plus élevées que les produits chimiques alternatifs comme le nickel. cadmium. Malgré cet inconvénient, les performances électriques globales, la fiabilité élevée, la stabilité thermique et une durée de vie extra longue signifient que la batterie est toujours utilisée dans les véhicules électriques.

L'avenir des batteries lithium-ion

Les entreprises et les gouvernements du monde entier s’efforcent de poursuivre la recherche et le développement sur les technologies de batteries au lithium-ion et d’autres technologies afin de répondre à la demande croissante d’énergie propre et de réduction des émissions de carbone. Les sources d'énergie intrinsèquement intermittentes comme l'énergie solaire et éolienne pourraient grandement bénéficier de la densité énergétique élevée et de la longue durée de vie du lithium-ion, ce qui a déjà aidé cette technologie à s'emparer du marché des véhicules électriques.

Pour répondre à cette demande croissante, les chercheurs ont déjà commencé à repousser les limites du lithium-ion existant de manière nouvelle et passionnante. Les cellules au lithium polymère (Li-Po) remplacent les électrolytes liquides dangereux à base de sel de lithium par des gels polymères plus sûrs et des conceptions de cellules semi-humides, pour des performances électriques comparables avec une sécurité améliorée et un poids plus léger. Le lithium à l'état solide est la technologie la plus récente du bloc, promettant des améliorations en termes de densité énergétique, de sécurité, de durée de vie et de longévité globale avec la stabilité d'un électrolyte solide. Il est difficile de prédire quelle technologie remportera la course à la solution ultime de stockage d'énergie, mais le lithium-ion continuera certainement à jouer un rôle majeur dans l'économie énergétique dans les années à venir.

Fournisseur de solutions de stockage d'énergie

Nous fabriquons des produits de pointe, combinant une ingénierie de précision avec une vaste expertise en matière d'applications pour aider les clients à intégrer des solutions de stockage d'énergie dans leurs produits. BSLBATT Engineered Technologies possède l'expertise éprouvée en matière de technologie et d'intégration pour amener vos applications de la conception à la commercialisation.

Pour en savoir plus, consultez notre article de blog sur stockage de batterie au lithium .