Batteries lithium-ion et leurs défis de fabrication

Batteries lithium-ion sont fabriqué dans des jeux d'électrodes puis assemblés en cellules. Le matériau actif est mélangé avec des liants polymères, des additifs conducteurs et des solvants pour former une suspension qui est ensuite appliquée sur une feuille collectrice de courant et séchée pour éliminer le solvant et créer un revêtement d'électrode poreux.

Il n’existe pas de batterie lithium-ion unique. Grâce à la variété de matériaux et de couples électrochimiques disponibles, il est possible de concevoir des cellules de batterie spécifiques à leurs applications en termes de tension, d'état de charge, de besoins en matière de durée de vie et de sécurité. La sélection de couples électrochimiques spécifiques facilite également la conception des rapports de puissance et d'énergie et de l'énergie disponible.

L’intégration dans une cellule grand format nécessite une fabrication optimisée d’électrodes roll-to-roll et l’utilisation de matériaux actifs. Les électrodes sont recouvertes d'une feuille collectrice de courant métallique dans une structure composite de matériau actif, de liants et d'additifs conducteurs, nécessitant un contrôle minutieux de la chimie colloïdale, de l'adhésion et de la solidification. Mais les matériaux inactifs ajoutés et l’emballage des cellules réduisent la densité énergétique. De plus, le degré de porosité et de compactage de l’électrode peut affecter les performances de la batterie.

Outre ces défis liés aux matériaux, le coût constitue un obstacle important à l’adoption généralisée de cette technologie. Des voies sont explorées pour amener les batteries disponibles dans le commerce à 100 Wh/kg et 200 Wh/L à 500 $/kWh jusqu'à 250 Wh/kg et 400 Wh/L pour seulement 125 $/kWh.

Fondamentaux des batteries lithium-ion

La batterie lithium-ion a été rendue possible grâce à la découverte de l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO ₂ ), qui permet l'extraction des ions lithium et la création de grandes quantités de lacunes (sans changement cristallin) jusqu'à l'élimination de la moitié des ions existants. Le jumelage de LiCoO ₂ avec le graphite permet l'intercalation des ions lithium entre les couches de graphène qui occupent le site interstitiel entre chaque anneau hexagonal d'atomes de carbone (Besenhard et Schöllhorn 1976 ; Mizushima et al. 1980 ; Whittingham 1976).

Les ions lithium se déplacent pendant la charge depuis l'électrode positive (la cathode) à travers un électrolyte solide ou liquide jusqu'à l'électrode négative (l'anode) et, pendant la décharge, dans la direction opposée. À chaque électrode, l'ion maintient sa charge et s'intercale dans la structure cristalline occupant des sites interstitiels dans les cristaux existants du côté de l'anode ou réoccupe un site vacant dans la cathode qui s'est formé lorsque l'ion lithium a quitté ce cristal. Lors du transfert de l'ion, la matrice hôte est réduite ou oxydée, ce qui libère ou capture un électron. ¹

Variété de matériaux cathodiques

La recherche de nouveaux matériaux cathodiques est motivée en partie par les inconvénients importants du LiCoO ₂ . La batterie a une température centrale de 40 à 70 °C et peut être sensible à certaines réactions à basse température. Mais à 105-135°C, il est très réactif et constitue une excellente source d'oxygène pour un risque de sécurité appelé réaction d'emballement thermique , dans lequel des réactions hautement exothermiques créent des pics de température et s'accélèrent rapidement avec la libération de chaleur supplémentaire (Roth 2000).

Matériaux de remplacement pour LiCoO ₂ sont moins sujets à cet échec. Les composés remplacent certaines parties du cobalt par du nickel et du manganèse pour former du Li(Ni _x Mn _oui Co _z )Ô ₂ composés (avec x + oui + z = 1), souvent appelés NMC car ils contiennent du nickel, du manganèse et du cobalt ; ou ils présentent une structure complètement nouvelle sous forme de phosphates (par exemple, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014). Ces matériaux cathodiques présentent tous des capacités comprises entre 120 et 160 Ah/kg à 3,5 et 3,7 V, ce qui entraîne une densité énergétique maximale allant jusqu'à 600 Wh/kg.

Cependant, lorsqu'ils sont emballés dans des appareils réels, une grande quantité de matériaux inactifs est ajoutée et la densité énergétique a tendance à chuter jusqu'à 100 Wh/kg au niveau du pack. Pour obtenir une densité énergétique plus élevée, les chercheurs ont recherché une capacité et une tension plus élevées et les ont trouvées dans les oxydes de métaux de transition riches en lithium et en manganèse. Ces composés sont essentiellement les mêmes matériaux que le NMC, mais un excès de lithium et des quantités plus élevées de manganèse remplacent le nickel et le cobalt. Les quantités plus élevées de lithium (jusqu'à 20 pour cent de plus) permettent aux composés d'avoir une capacité plus élevée (Thackeray et al. 2007) et une tension plus élevée, ce qui donne des cathodes pouvant atteindre 280 Ah/kg lorsqu'elles sont chargées jusqu'à 4,8 V. Cependant , ces nouveaux composés présentent des problèmes de stabilité et ont tendance à s'estomper rapidement.

Équilibrage des matériaux dans les cellules

Les batteries au lithium-ion sont constituées de couches d'électrodes poreuses sur des feuilles collectrices de courant en aluminium et en cuivre (Daniel 2008). La capacité de chaque paire d'électrodes doit être équilibrée pour garantir la sécurité de la batterie et éviter tout risque de surcharge de l'anode (pouvant entraîner un placage de lithium métallique et un court-circuit) ou de décharge excessive de la cathode (pouvant entraîner un effondrement de la structure cristalline). et perte de postes vacants pour que le lithium puisse se réintercaler, réduisant considérablement la capacité).

Le graphite a une capacité théorique de 372 Ah/kg, soit le double de celle du lithium disponible dans les cathodes NMC. Ainsi, dans les batteries lithium-ion équilibrées, les cathodes présentent généralement le double de l’épaisseur par rapport à l’anode. Ce défaut inhérent à la conception de la cellule pose des problèmes de transport de masse et de cinétique, et a donc incité à rechercher des cathodes de grande capacité.

Pour augmenter la densité énergétique au niveau des cellules, les matériaux inactifs sont minimisés dans les cellules de la batterie. Par exemple, une façon de réduire le collecteur de courant consiste à augmenter l’épaisseur des électrodes, mais cela entraîne en outre des problèmes de transport et nécessite une porosité hautement technique dans l’électrode.

Défis de coûts liés à la fabrication de batteries lithium-ion

Les coûts des batteries lithium-ion sont bien plus élevés que ce que le marché automobile peut supporter pour une pénétration complète des véhicules électriques et un produit neutre en termes de coût par rapport aux voitures équipées de moteurs à combustion interne. L’objectif de coût du ministère américain de l’Énergie pour toutes les batteries de véhicules électriques est de 125 $/kWh d’énergie utilisable (DOE 2013). Le coût actuel des batteries commerciales est de 400 à 500 $/kWh et leur coût projeté avec les matériaux expérimentaux actuels est de 325 $/kWh. Jusqu’à présent, la majeure partie de la réduction des coûts a été réalisée grâce à l’augmentation de la densité énergétique à un coût similaire à celui des produits de l’ancienne génération.

Une réduction supplémentaire des coûts est possible grâce à l’optimisation des schémas de fabrication. Les batteries lithium-ion sont fabriquées sous forme de jeux d’électrodes puis assemblées en cellules. Le matériau actif est mélangé avec des liants polymères, des additifs conducteurs et des solvants pour former une suspension qui est ensuite appliquée sur une feuille collectrice de courant et séchée pour éliminer le solvant et créer un revêtement d'électrode poreux. Le solvant de choix, la N-méthylpyrrolidone (NMP), est considéré comme un matériel indirect (il est nécessaire à la production mais n'est pas contenu dans le dispositif final), mais il est coûteux, présente des vapeurs inflammables et est hautement toxique.

Les vapeurs inflammables de NMP nécessitent que tous les équipements de traitement lors de la production des électrodes soient antidéflagrants, ce qui signifie que tous les composants électriques produisant des étincelles doivent être protégés des vapeurs et que les espaces doivent être hautement ventilés pour maintenir les concentrations de vapeurs faibles. Ces mesures augmentent considérablement le coût en capital de ces équipements.

De plus, l’usine de fabrication d’électrodes doit récupérer le solvant de son flux d’échappement, le distiller et le recycler. C'est encore une fois un coût supplémentaire.

Réduction des coûts grâce au traitement à base d'eau

Le remplacement du NMP par l’eau constitue une formidable opportunité de réduire les coûts de production des batteries lithium-ion. Le coût de l'eau est négligeable par rapport à celui de la NMP ; l'eau n'est pas inflammable et ne produit pas de vapeurs inflammables ; et l’eau est sans danger pour l’environnement. Cependant, l’eau est un solvant polaire et son comportement est complètement différent de celui du NMP non polaire. De plus, les matériaux actifs ont tendance à s'agglomérer et les surfaces métalliques des collecteurs de courant sont hydrophobes, ce qui rend le processus de revêtement plus difficile.

La connaissance des charges de surface sur les particules (en mesurant le potentiel zêta) permet de concevoir la polarité de surface en présence d'eau en introduisant de petites quantités de tensioactifs. Dans le cas des composés d'intercalation cathodique, le polyéthylène imide a été utilisé avec succès pour introduire une charge de surface suffisamment importante pour repousser les particules afin qu'elles ne forment pas d'agglomérats inacceptables (Li et al. 2013).

Comprendre l'énergie de surface des métaux et la tension superficielle du coulis ainsi que leur interaction permet d'optimiser le couple. Le traitement plasma atmosphérique de la surface métallique par exposition à un plasma corona élimine les composés organiques sur la surface et permet une légère gravure et oxydation, ce qui réduit considérablement l'énergie de surface à des valeurs inférieures à la tension superficielle de la suspension. Cela permet un mouillage parfait de la surface par le coulis et crée un revêtement à l'adhérence optimisée (Li et al. 2012). Le résultat est une réduction de 75 pour cent des coûts opérationnels et des matériaux dans la fabrication des électrodes et une réduction potentielle des coûts allant jusqu'à 20 pour cent au niveau des batteries pour les applications automobiles (Wood et al. 2014). Cela n'inclut pas le coût inférieur de l'équipement : les dépenses associées à l'équipement de traitement au plasma sont bien inférieures à celles du système de récupération des solvants et à l'exigence antidéflagrante.

Opportunités futures de réduction des coûts

Des réductions supplémentaires des coûts seront obtenues grâce à une meilleure connaissance des mécanismes de transport et des implications de l'architecture des électrodes pour les performances électrochimiques. Les recherches actuelles sont largement axées sur la modélisation et la simulation afin de comprendre les mécanismes moléculaires et d'améliorer la conception des électrodes, des piles d'électrodes et des cellules de batterie. Des électrodes plus épaisses et une réduction considérable des matériaux inactifs amélioreront la densité énergétique à moindre coût, réduiront les coûts directs et permettront éventuellement un cycle de formation de batterie beaucoup plus court et moins énergivore.

Conclusion

Les batteries lithium-ion ont un énorme potentiel pour permettre une électrification partielle ou totale du parc automobile, diversifier les sources d'énergie pour les transports et soutenir le stockage d'énergie à grande échelle pour une plus grande pénétration de l'approvisionnement en énergie renouvelable intermittente. Cependant, le coût reste un problème et devra être résolu par le développement d'une chaîne d'approvisionnement robuste, de normes de fabrication, d'un débit de fabrication élevé et de méthodes de traitement rationalisées à faible coût. En plus de réduire les coûts, la recherche peut améliorer la connaissance des processus moléculaires et des problématiques de transport afin d'optimiser la conception et l'utilisation de l'énergie disponible dans les batteries et d'augmenter leur durée de vie.

Comme le montre cet article, une augmentation du contenu énergétique et de la capacité des matériaux d’électrodes actives et une réduction des matériaux indirects dans la production sont deux moyens d’influencer les coûts.

Remerciements

Certaines parties de cette recherche au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL ; géré par UT Battelle, LLC) pour le Département américain de l'énergie (sous le contrat DE-AC05-00OR22725) ont été parrainées par l'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies. Sous-programme de recherche appliquée sur les batteries (ABR) du Bureau (VTO) (gestionnaires de programme : Peter Faguy et David Howell). L'auteur reconnaît les nombreuses discussions fructueuses et les contributions de David Wood, Jianlin Li et Debasish Mohanty de l'installation de R&D sur la fabrication de batteries du DOE à l'ORNL et de Beth Armstrong de la division science et technologie des matériaux de l'ORNL.

Source de l'article：Pont de printemps： Des frontières de l’ingénierie et au-delà