| Matériaux de batterie au lithium-ion sont des composants essentiels à la production de batteries lithium-ion , qui sont largement utilisés dans divers appareils électroniques, véhicules électriques et systèmes d'énergie renouvelable. Ces batteries sont constituées de plusieurs matériaux clés qui fonctionnent ensemble pour stocker et libérer efficacement l’énergie électrique. Matériaux cathodiques
Les matériaux cathodiques de pointe comprennent des oxydes de lithium-métal [tels que LiCoO 2 , LiMn 2 Ô 4 , et Li(NixMnyCoz)O 2 ], oxydes de vanadium, olivines (telles que LiFePO 4 ), et les oxydes de lithium rechargeables. 11,12 Les oxydes en couches contenant du cobalt et du nickel sont les matériaux les plus étudiés pour les batteries lithium-ion. Ils présentent une grande stabilité dans la plage des hautes tensions, mais le cobalt est disponible de manière limitée dans la nature et est toxique, ce qui constitue un énorme inconvénient pour la fabrication de masse. Le manganèse offre une substitution à faible coût avec un seuil thermique élevé et d'excellentes capacités de débit mais un comportement cyclique limité. Par conséquent, des mélanges de cobalt, de nickel et de manganèse sont souvent utilisés pour combiner les meilleures propriétés et minimiser les inconvénients. Les oxydes de vanadium ont une grande capacité et une excellente cinétique. Cependant, en raison de l'insertion et de l'extraction du lithium, le matériau a tendance à devenir amorphe, ce qui limite le comportement en cyclage. Les olivines ne sont pas toxiques et ont une capacité modérée avec une faible décoloration due au cyclisme, mais leur conductivité est faible. Des méthodes de revêtement du matériau ont été introduites pour compenser la mauvaise conductivité, mais cela ajoute des coûts de traitement à la batterie.
Matériaux d'anodes
Les matériaux d'anode sont le lithium, le graphite, les matériaux alliés au lithium, les intermétalliques ou le silicium. 11 Le lithium semble être le matériau le plus simple, mais il présente des problèmes de comportement en cyclage et de croissance dendritique, ce qui crée des courts-circuits. Les anodes carbonées sont le matériau anodique le plus utilisé en raison de leur faible coût et de leur disponibilité. Cependant, la capacité théorique (372 mAh/g) est médiocre par rapport à la densité de charge du lithium (3 862 mAh/g). Certains efforts visant à développer de nouvelles variétés de graphite et des nanotubes de carbone ont tenté d'augmenter la capacité, mais se sont soldés par des coûts de traitement élevés. Les anodes en alliage et les composés intermétalliques ont des capacités élevées mais présentent également un changement de volume spectaculaire, entraînant un mauvais comportement en cyclage. Des efforts ont été faits pour surmonter le changement de volume en utilisant des matériaux nanocristallins et en plaçant la phase alliée (avec Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn et autres) dans une matrice de stabilisation non alliée (avec Co, Cu, Fe ou Ni). Le silicium a une capacité extrêmement élevée de 4 199 mAh/g, correspondant à une composition de Si 5 Li 22 . Cependant, le comportement du cycliste est médiocre et la diminution de la capacité n'est pas encore comprise. Électrolytes
Une batterie sûre et durable nécessite un électrolyte robuste capable de résister à la tension existante et aux températures élevées et qui a une longue durée de conservation tout en offrant une grande mobilité aux ions lithium. Les types incluent les électrolytes liquides, polymères et solides. 11 Les électrolytes liquides sont principalement des électrolytes organiques à base de solvants contenant du LiBC. 4 Ô 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li[PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], ou similaire. La considération la plus importante est leur inflammabilité ; les solvants les plus performants ont des points d’ébullition bas et des points d’éclair autour de 30°C. Par conséquent, une ventilation ou une explosion de la cellule, puis de la batterie, présente un danger. La décomposition de l'électrolyte et les réactions secondaires hautement exothermiques dans les batteries lithium-ion peuvent créer un effet connu sous le nom d'« emballement thermique ». Ainsi, la sélection d’un électrolyte implique souvent un compromis entre inflammabilité et performances électrochimiques. Séparateurs Une bonne revue des matériaux et des besoins des séparateurs est fournie par P. Arora et Z. Zhang. 14 Comme son nom l’indique, le séparateur de batterie sépare physiquement les deux électrodes l’une de l’autre, évitant ainsi un court-circuit. Dans le cas d'un électrolyte liquide, le séparateur est un matériau en mousse qui est imbibé d'électrolyte et le maintient en place. Il doit s'agir d'un isolant électronique tout en présentant une résistance électrolytique minimale, une stabilité mécanique maximale et une résistance chimique à la dégradation dans un environnement hautement électrochimiquement actif. De plus, le séparateur est souvent doté d'un dispositif de sécurité, appelé « arrêt thermique » ; à des températures élevées, il fond ou ferme ses pores pour arrêter le transport lithium-ion sans perdre sa stabilité mécanique. Les séparateurs sont soit synthétisés en feuilles et assemblés avec les électrodes, soit déposés sur une électrode in situ. Du point de vue du coût, cette dernière méthode est préférable mais pose d’autres problèmes de synthèse, de manipulation et mécaniques. Les électrolytes solides et certains électrolytes polymères ne nécessitent aucun séparateur. Les séparateurs sont dotés de mécanismes d'arrêt thermique intégrés et des systèmes de gestion thermique externes sophistiqués supplémentaires sont ajoutés aux modules et aux blocs-batteries. Les liquides ioniques sont envisagés en raison de leur stabilité thermique mais présentent des inconvénients majeurs, comme la dissolution du lithium hors de l'anode. Les électrolytes polymères sont des polymères à conduction ionique. Ils sont souvent mélangés dans des composites avec des nanoparticules de céramique, ce qui entraîne des conductivités et une résistance à des tensions plus élevées. De plus, en raison de leur viscosité élevée et de leur comportement quasi solide, les électrolytes polymères pourraient empêcher la croissance des dendrites de lithium. 13 et pourrait donc être utilisé avec des anodes au lithium métallique. Les électrolytes solides sont des cristaux conducteurs lithium-ion et des verres céramiques. Ils présentent de très mauvaises performances à basse température car la mobilité du lithium dans le solide est considérablement réduite à basse température. De plus, les électrolytes solides nécessitent des conditions de dépôt et des traitements thermiques particuliers pour obtenir un comportement acceptable, ce qui les rend extrêmement coûteux à utiliser, bien qu'ils éliminent le besoin de séparateurs et le risque d'emballement thermique. En conclusion, matériaux de batterie au lithium-ion jouer un rôle essentiel dans la performance et l’efficacité globales de batteries lithium-ion . Les efforts de recherche et développement en cours continuent d’explorer de nouveaux matériaux et technologies pour améliorer encore les performances et la durabilité des batteries lithium-ion. |
