Qu'est-ce que les batteries lithium-ion

1 Qu'est-ce que les batteries lithium-ion ?

Une batterie est une source d'énergie électrique composée d'une ou plusieurs cellules électrochimiques avec des connexions externes pour alimenter des appareils électriques. Une batterie lithium-ion ou Li-ion est un type de batterie rechargeable qui utilise la réduction réversible des ions lithium pour stocker de l'énergie et est célèbre pour sa haute densité énergétique.

2 La structure des batteries lithium-ion

Généralement, la plupart des batteries Li-ion commerciales utilisent des composés d'intercalation comme matériaux actifs. Ils sont généralement constitués de plusieurs couches de matériaux disposés dans un ordre spécifique pour faciliter le processus électrochimique permettant à la batterie de stocker et de libérer de l'énergie : anode, cathode, électrolyte, séparateur et collecteur de courant.

Qu’est-ce qu’une anode ?

En tant que composant de la batterie, l’anode joue un rôle important dans la capacité, les performances et la durabilité de la batterie. Lors du chargement, l’anode en graphite est chargée d’accepter et de stocker les ions lithium. Lorsque la batterie est déchargée, les ions lithium se déplacent de l’anode vers la cathode afin de créer un courant électrique. Généralement, l'anode la plus couramment utilisée dans le commerce est le graphite, qui, dans son état entièrement lithié de LiC6, correspond à une capacité maximale de 1339 C/g (372 mAh/g). Mais avec le développement des technologies, de nouveaux matériaux tels que le silicium ont été recherchés pour améliorer les densités énergétiques des batteries lithium-ion.

Qu’est-ce que la cathode ?

La cathode fonctionne pour accepter et libérer des ions lithium chargés positivement pendant les cycles de courant. Il se compose généralement d'une structure en couches d'un oxyde en couches (tel que l'oxyde de lithium-cobalt), d'un polyanion (tel que le phosphate de fer et de lithium) ou d'un spinelle (tel que l'oxyde de lithium et de manganèse) recouvert d'un collecteur de charge (généralement en aluminium). 

Qu’est-ce que l’électrolyte ?

En tant que sel de lithium dans un solvant organique, l'électrolyte sert de moyen permettant aux ions lithium de se déplacer entre l'anode et la cathode pendant la charge et la décharge.

Qu'est-ce qu'un séparateur ?

En tant que fine membrane ou couche de matériau non conducteur, le séparateur empêche l'anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive) de court-circuiter, car cette couche est perméable aux ions lithium mais pas aux électrons. Il peut également assurer le flux constant d’ions entre les électrodes pendant la charge et la décharge. Ainsi, la batterie peut maintenir une tension stable et réduire le risque de surchauffe, de combustion ou d'explosion.

Qu'est-ce qu'un collecteur de courant ?

Le collecteur de courant est conçu pour collecter le courant produit par les électrodes de la batterie et le transporter vers le circuit externe, ce qui est important pour garantir des performances et une longévité optimales de la batterie. Et généralement, il est généralement constitué d’une fine feuille d’aluminium ou de cuivre.

3 L'histoire du développement des batteries lithium-ion

La recherche sur les batteries Li-ion rechargeables remonte aux années 1960, l'un des premiers exemples étant une batterie CuF2/Li développée par la NASA en 1965 Et la crise pétrolière a frappé le monde dans les années 1970, les chercheurs ont tourné leur attention vers des sources d'énergie alternatives, de sorte que la percée qui a donné naissance à la première forme de batterie Li-ion moderne a été réalisée en raison de la légèreté et de la haute densité énergétique des batteries lithium-ion. Dans le même temps, Stanley Whittingham d'Exxon a découvert que des ions lithium pouvaient être insérés dans des matériaux tels que le TiS2 pour créer une batterie rechargeable. 

Il a donc tenté de commercialiser cette batterie mais a échoué en raison du coût élevé et de la présence de lithium métallique dans les cellules. En 1980, un nouveau matériau s'est avéré offrir une tension plus élevée et était beaucoup plus stable dans l'air, qui sera ensuite utilisé dans la première batterie Li-ion commerciale, bien qu'il ne résolve pas, à lui seul, le problème persistant de l'inflammabilité. La même année, Rachid Yazami invente l'électrode (anode) en graphite et lithium. Et puis, en 1991, les premières batteries lithium-ion rechargeables au monde ont commencé à arriver sur le marché. Dans les années 2000, la demande de batteries lithium-ion a augmenté à mesure que les appareils électroniques portables sont devenus populaires, ce qui rend les batteries lithium-ion plus sûres et plus durables. Les véhicules électriques ont été introduits dans les années 2010, créant ainsi un nouveau marché pour les batteries lithium-ion. 

Le développement de nouveaux procédés et matériaux de fabrication, tels que les anodes en silicium et les électrolytes solides, a continué d'améliorer les performances et la sécurité des batteries lithium-ion. De nos jours, les batteries lithium-ion sont devenues essentielles dans notre vie quotidienne, c'est pourquoi la recherche et le développement de nouveaux matériaux et technologies se poursuivent pour améliorer les performances, l'efficacité et la sécurité de ces batteries.

4.Les types de batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion se présentent sous différentes formes et tailles, et elles ne sont pas toutes égales. Il existe normalement cinq types de batteries lithium-ion.

l Oxyde de lithium et de cobalt

Les batteries au lithium-oxyde de cobalt sont fabriquées à partir de carbonate de lithium et de cobalt et sont également connues sous le nom de batteries au lithium-cobaltate ou lithium-ion-cobalt. Ils ont une cathode en oxyde de cobalt et une anode en graphite-carbone, et les ions lithium migrent de l'anode à la cathode pendant la décharge, le flux s'inversant lorsque la batterie est chargée. Quant à leur application, ils sont utilisés dans les appareils électroniques portables, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie renouvelable en raison de leur énergie spécifique élevée, de leur faible taux d'autodécharge, de leur tension de fonctionnement élevée et de leur large plage de températures. Mais faites attention aux problèmes de sécurité liés. au risque d'emballement thermique et d'instabilité à haute température.

l Oxyde de lithium et de manganèse

L'oxyde de lithium et de manganèse (LiMn2O4) est un matériau cathodique couramment utilisé dans les batteries lithium-ion. La technologie de ce type de batterie a été découverte dans les années 1980, avec la première publication dans le Materials Research Bulletin en 1983. L’un des avantages du LiMn2O4 est qu’il présente une bonne stabilité thermique, ce qui signifie qu’il est moins susceptible de subir un emballement thermique, ce qui est également plus sûr que les autres types de batteries lithium-ion. De plus, le manganèse est abondant et largement disponible, ce qui en fait une option plus durable par rapport aux matériaux cathodiques qui contiennent des ressources limitées comme le cobalt. En conséquence, on les retrouve fréquemment dans les équipements et dispositifs médicaux, les outils électriques, les motos électriques et d’autres applications. Malgré ses avantages, le LiMn2O4 a une stabilité de cycle moins bonne que le LiCoO2, ce qui signifie qu'il peut nécessiter un remplacement plus fréquent et qu'il peut donc ne pas être aussi adapté aux systèmes de stockage d'énergie à long terme.

l Lithium Fer Phosphate (LFP)

Le phosphate est utilisé comme cathode dans les batteries au lithium fer phosphate, souvent appelées batteries li-phosphate. Leur faible résistance améliore leur stabilité thermique et leur sécurité. Elles sont également réputées pour leur durabilité et leur long cycle de vie, ce qui en fait l’option la plus rentable par rapport aux autres types de batteries lithium-ion. Par conséquent, ces batteries sont fréquemment utilisées dans les vélos électriques et dans d’autres applications nécessitant un long cycle de vie et des niveaux élevés de sécurité. Mais ses inconvénients rendent difficile un développement rapide. Premièrement, par rapport aux autres types de batteries lithium-ion, elles coûtent plus cher car elles utilisent des matières premières rares et coûteuses. De plus, les batteries au lithium fer phosphate ont une tension de fonctionnement plus faible, ce qui signifie qu'elles peuvent ne pas convenir à certaines applications nécessitant une tension plus élevée. Son temps de charge plus long en fait un inconvénient dans les applications nécessitant une recharge rapide.

l Lithium Nickel Manganèse Oxyde de Cobalt (NMC)

Les batteries au lithium-nickel-manganèse-oxyde de cobalt, souvent appelées batteries NMC, sont constituées d'une variété de matériaux universels dans les batteries lithium-ion. Une cathode constituée d'un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt est incluse Sa densité énergétique élevée, ses bonnes performances de cyclage et sa longue durée de vie en ont fait le premier choix pour les véhicules électriques, les systèmes de stockage sur réseau et d'autres applications hautes performances, ce qui a contribué à la popularité croissante des véhicules électriques et des systèmes d'énergie renouvelable. Pour augmenter la capacité, de nouveaux électrolytes et additifs sont utilisés pour lui permettre de charger jusqu'à 4,4 V/cellule et plus. Il existe une tendance vers le Li-ion mélangé à un mélange NMC, car le système est rentable et offre de bonnes performances. Le nickel, le manganèse et le cobalt sont trois matériaux actifs qui peuvent être facilement combinés pour s'adapter à une large gamme d'applications automobiles et de systèmes de stockage d'énergie (EES) qui nécessitent des cycles fréquents.

 D'où nous pouvons voir que la famille NMC se diversifie

Cependant, ses effets secondaires tels que l'emballement thermique, les risques d'incendie et les préoccupations environnementales pourraient entraver son développement ultérieur.

l Titanate de lithium

Le titanate de lithium, souvent appelé li-titanate, est un type de batterie dont les utilisations sont de plus en plus nombreuses. En raison de sa nanotechnologie supérieure, il est capable de charger et de décharger rapidement tout en maintenant une tension stable, ce qui le rend bien adapté aux applications à haute puissance telles que les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie commerciaux et industriels et le stockage au niveau du réseau. Outre leur sécurité et leur fiabilité, ces batteries pourraient être utilisées pour des applications militaires et aérospatiales, ainsi que pour le stockage de l'énergie éolienne et solaire et la construction de réseaux intelligents. De plus, selon Battery Space, ces batteries pourraient être utilisées dans les sauvegardes critiques du système électrique. Néanmoins, les batteries au titanate de lithium ont tendance à être plus chères que les batteries lithium-ion traditionnelles en raison du processus de fabrication complexe nécessaire à leur production.

5. Les tendances de développement des batteries lithium-ion

La croissance mondiale des installations d’énergies renouvelables a accru la production d’énergie intermittente, créant ainsi un réseau déséquilibré. Cela a conduit à une demande de batteries, tandis que l'accent mis sur l'absence d'émissions de carbone et la nécessité de s'éloigner des combustibles fossiles, notamment le charbon, pour la production d'électricité incitent davantage de gouvernements à encourager les installations solaires et éoliennes. Ces installations se prêtent aux systèmes de stockage par batterie qui stockent l’excès d’énergie généré. Par conséquent, les incitations gouvernementales visant à encourager les installations de batteries Li-ion stimulent également le développement des batteries lithium-ion. Par exemple, la taille du marché mondial des batteries lithium-ion NMC devrait passer de millions de dollars américains en 2022 à des millions de dollars américains en 2029 ; il devrait croître à un TCAC de % de 2023 à 2029  Et les besoins croissants d’applications exigeant de lourdes charges devraient faire des batteries lithium-ion de 3 000 à 10 000 le segment à la croissance la plus rapide au cours de la période de prévision (2022-2030).

6 L’analyse des investissements des batteries lithium-ion

L’industrie du marché des batteries lithium-ion devrait passer de 51,16 milliards USD en 2022 à 118,15 milliards USD d’ici 2030, affichant un taux de croissance annuel composé de 4,72 % au cours de la période de prévision (2022-2030), qui dépend de plusieurs facteurs.

l Analyse de l'utilisateur final

Les installations du secteur des services publics sont des moteurs clés des systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS). Ce segment devrait passer de 2,25 milliards de dollars en 2021 à 5,99 milliards de dollars en 2030, avec un TCAC de 11,5 %.  Les batteries Li-ion affichent un TCAC plus élevé de 34,4 % en raison de leur faible base de croissance. Les segments du stockage d’énergie résidentiel et commercial sont d’autres domaines avec un potentiel de marché important de 5,51 milliards de dollars en 2030, contre 1,68 milliard de dollars en 2021. Le secteur industriel poursuit sa marche vers zéro émission de carbone, les entreprises s’engageant à zéro émission nette au cours des deux prochaines décennies. Les entreprises de télécommunications et de centres de données sont à l'avant-garde de la réduction des émissions de carbone en mettant davantage l'accent sur les sources d'énergie renouvelables. Tout cela favorisera le développement rapide de  batteries lithium-ion alors que les entreprises trouvent des moyens d'assurer une sauvegarde et un équilibrage du réseau fiables.

l Analyse du type de produit

En raison du prix élevé du cobalt, les batteries sans cobalt constituent l’une des tendances de développement des batteries lithium-ion. Le LiNi0,5Mn1,5O4 haute tension (LNMO) avec une densité d'énergie théorique élevée est l'un des matériaux cathodiques sans Co les plus prometteurs dans le futur. En outre, les résultats expérimentaux ont prouvé que les performances de cyclage et de taux C de la batterie LNMO sont améliorées grâce à l'utilisation de l'électrolyte semi-solide. On peut suggérer que le COF anionique est capable d'absorber fortement le Mn3+/Mn2+ et le Ni2+ via l'interaction coulombienne, limitant leur migration destructrice vers l'anode. Par conséquent, ce travail sera bénéfique pour la commercialisation du matériau cathodique LNMO.

l Analyse régionale

L’Asie-Pacifique constituera le plus grand marché de batteries lithium-ion stationnaires d’ici 2030, tiré par les services publics et les industries. Il dépassera l'Amérique du Nord et l'Europe avec un marché de 7,07 milliards de dollars en 2030, contre 1,24 milliard de dollars en 2021, avec un TCAC de 21,3 %. L’Amérique du Nord et l’Europe seront les prochains plus grands marchés en raison de leurs objectifs de décarbonation de leurs économies et de leur réseau au cours des deux prochaines décennies. LATAM connaîtra le taux de croissance le plus élevé, avec un TCAC de 21,4 %, en raison de sa plus petite taille et de sa base faible.

7 Éléments à considérer pour des batteries lithium-ion de haute qualité

Lors de l'achat d'un onduleur solaire optique, non seulement le prix et la qualité doivent être pris en compte, mais d'autres facteurs doivent également être pris en compte.

l Densité énergétique

La densité énergétique est la quantité d'énergie stockée par unité de volume. Une densité énergétique plus élevée avec moins de poids et de taille est plus étendue entre les cycles de charge.

je  Sécurité

La sécurité est un autre aspect critique des batteries lithium-ion, car les explosions et les incendies qui peuvent survenir lors de la charge ou de la décharge, il est donc nécessaire de choisir des batteries dotées de mécanismes de sécurité améliorés, tels que des capteurs de température et des substances inhibitrices.

lType

L'une des dernières tendances dans l'industrie des batteries lithium-ion est le développement de batteries à semi-conducteurs, qui offrent de nombreux avantages tels qu'une densité énergétique plus élevée et un cycle de vie plus long. Par exemple, l’utilisation de batteries à semi-conducteurs dans les voitures électriques augmentera considérablement leur autonomie et leur sécurité.

l Taux de charge

Le taux de charge dépend de la rapidité avec laquelle la batterie est chargée en toute sécurité. Parfois, la batterie met beaucoup de temps à se charger avant de pouvoir être utilisée.

lDurée de vie

 Aucune batterie ne fonctionne pendant toute sa durée de vie mais a une date d'expiration. Vérifiez la date d'expiration avant d'effectuer l'achat. Les batteries au lithium-ion ont une durée de vie inhérente plus longue en raison de leur composition chimique, mais chaque batterie diffère les unes des autres en fonction du type, des spécifications et de la manière dont elles sont fabriquées. Les batteries de haute qualité dureront plus longtemps car elles sont constituées de matériaux nobles à l’intérieur.