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’un ou plusieurs cellules électrochimiques avec connexions externes pour alimenter des appareils électriques. Une batterie lithium-ion ou Li-ion est un type de batterie rechargeable qui utilise le réduction réversible des ions lithium pour stocker de l'énergie et est célèbre pour leur haute densité énergétique.

2. La structure des batteries lithium-ion

Généralement, la plupart des batteries Li-ion commerciales utilisent des composés d'intercalation comme matières actives. Ils sont généralement constitués de plusieurs couches de matériaux disposés dans un ordre spécifique pour faciliter le processus électrochimique qui permet 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, performances et durabilité de la batterie. Lors du chargement, l'anode en graphite est responsable de l’acceptation et du stockage des ions lithium. Lorsque la batterie est déchargés, les ions lithium se déplacent de l'anode à la cathode de sorte qu'un un courant électrique est créé. Généralement l'anode la plus couramment utilisée dans le commerce est du graphite, qui dans son état entièrement lithié de LiC6 est en corrélation avec un capacité de 1339 C/g (372 mAh/g). Mais avec le développement des technologies, de nouvelles des matériaux tels que le silicium ont été étudiés pour améliorer les densités d'énergie pour les batteries lithium-ion.

Qu’est-ce que la cathode ?

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

Qu’est-ce que l’électrolyte ?

En tant que sel de lithium dans un solvant organique, l'électrolyte sert de milieu pour que les ions lithium se déplacent entre l'anode et la cathode pendant la charge et déchargement.

Qu'est-ce qu'un séparateur ?

En tant que fine membrane ou couche de matériau non conducteur, le séparateur fonctionne pour Empêcher l'anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive) de court-circuit, puisque 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 déchargement. Par conséquent, 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 le les électrodes de la batterie et la transporte vers le circuit externe, qui est important pour garantir des performances et une longévité optimales de la batterie. Et 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'une des Les premiers exemples sont une batterie CuF2/Li développée par la NASA en 1965. Et la crise pétrolière frappé le monde dans les années 1970, les chercheurs se sont tournés vers des alternatives sources d'énergie, de sorte que la percée qui a produit la première forme de La batterie Li-ion moderne a été fabriquée en raison de son poids léger et de sa haute énergie densité des batteries lithium-ion. Au même moment, Stanley Whittingham d'Exxon découvert que des ions lithium pouvaient être insérés dans des matériaux tels que TiS2 pour créer une batterie rechargeable 

Il a donc essayé de commercialiser cette batterie mais a échoué en raison du coût élevé et de la présence de lithium métallique dans les cellules. En 1980, on a découvert qu'un nouveau matériau offrait une tension plus élevée et était bien plus efficace. stable dans l'air, qui sera ensuite utilisé dans la première batterie Li-ion commerciale, bien qu'il n'ait pas, à lui seul, résolu le problème persistant de inflammabilité. La même année, Rachid Yazami invente le lithium graphite électrode (anode). Et puis, en 1991, le premier lithium-ion rechargeable au monde les batteries ont commencé à entrer sur le marché 

Dans les années 2000, la demande en lithium-ion les batteries ont augmenté à mesure que les appareils électroniques portables sont devenus populaires, ce qui entraîne batteries lithium-ion pour être plus sûres et plus durables. Les véhicules électriques étaient introduit dans les années 2010, ce qui a créé un nouveau marché pour les batteries lithium-ion. Le développement de nouveaux procédés et matériaux de fabrication, tels que les anodes en silicium et électrolytes solides, a continué d'améliorer les performances et la sécurité des batteries lithium-ion. De nos jours, les batteries lithium-ion sont devenues incontournables dans notre vie quotidienne, donc la recherche et le développement de nouveaux matériaux et les technologies sont en cours pour améliorer les performances, l’efficacité et la sécurité des ces piles.

4.Les types de batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion se présentent sous différentes formes et tailles, et toutes ne sont pas disponibles. ils sont rendus égaux. 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 cobalt et sont également connues sous le nom de batteries lithium-cobaltate ou lithium-ion-cobalt. Ils ont une cathode en oxyde de cobalt et une anode en graphite-carbone, et des ions lithium migrer de l'anode à la cathode pendant la décharge, le flux s'inversant lorsque la batterie est chargée. Quant à son application, ils sont utilisés dans les portables appareils électroniques, véhicules électriques et systèmes de stockage d'énergie renouvelable en raison de leur énergie spécifique élevée, de leur faible taux d'autodécharge et de leur fonctionnement élevé tension et large plage de température. Mais faites attention aux problèmes de sécurité lié au potentiel d’emballement thermique et d’instabilité à haute température températures.

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 initialement découvert dans les années 1980, avec la première publication dans Materials Research Bulletin en 1983. L'un des avantages du LiMn2O4 est qu'il possède de bonnes propriétés thermiques. stabilité, ce qui signifie qu'il est moins susceptible de subir un emballement thermique, ce qui sont également plus sûrs 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. Par conséquent, on les trouve fréquemment dans les équipements et appareils médicaux, les outils électriques, les appareils électriques motos et autres applications. Malgré ses avantages, LiMn2O4 est plus pauvre stabilité du cycle par rapport au LiCoO2, ce qui signifie qu'il peut nécessiter plus remplacement fréquent, il peut donc ne pas être aussi adapté au stockage d'énergie à long terme systèmes.

l Lithium Fer Phosphate (LFP)

Le phosphate est utilisé comme cathode dans les batteries au lithium fer phosphate, souvent connues sous le nom de batteries au lithium-phosphate. Leur faible résistance a amélioré leur résistance thermique stabilité et sécurité. Ils sont également réputés pour leur durabilité et leur long cycle de vie, ce qui en fait l'option la plus rentable par rapport aux autres types de lithium-ion piles. Par conséquent, ces batteries sont fréquemment utilisées dans les vélos électriques et 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 à d'autres types de batteries lithium-ion, elles coûtent plus cher car elles utilisent des matières premières coûteuses. De plus, les batteries au lithium fer phosphate ont une tension de fonctionnement inférieure, ce qui signifie qu'ils peuvent ne pas convenir à certains applications qui nécessitent une tension plus élevée. Son temps de charge plus long en fait un désavantage dans les applications qui nécessitent une recharge rapide.

l Lithium Nickel Manganèse Oxyde de Cobalt (NMC)

Batteries au lithium-nickel-manganèse-oxyde de cobalt, souvent connues sous le nom de NMC Les batteries sont fabriquées à partir d'une variété de matériaux universels dans batteries lithium-ion. Une cathode constituée d'un mélange de nickel, de manganèse et le cobalt est inclus. Sa haute densité énergétique, ses bonnes performances de cyclage et son sa longue durée de vie en a fait le premier choix dans les véhicules électriques, le stockage sur réseau systèmes et autres applications hautes performances, ce qui a encore contribué à la popularité croissante des véhicules électriques et des systèmes d’énergie renouvelable. À Augmenter la capacité, de nouveaux électrolytes et additifs sont utilisés pour lui permettre de charge à 4,4 V/cellule et plus 

Il y a une tendance vers le Li-ion mélangé à NMC depuis le système est rentable et offre de bonnes performances. Nickel, manganèse, et le cobalt sont trois matières actives qui peuvent être facilement combinées pour s'adapter à un large éventail de gamme d'applications automobiles et de systèmes de stockage d'énergie (EES) qui nécessitent faire du vélo fréquemment. D'où nous pouvons voir que la famille NMC s'agrandit divers Cependant, ses effets secondaires d'emballement thermique, de risques d'incendie et d'environnement des inquiétudes pourraient entraver son développement ultérieur.

l Titanate de lithium

Le titanate de lithium, souvent appelé li-titanate, est un type de batterie doté d'une nombre croissant d'utilisations. Grâce à sa nanotechnologie supérieure, il est capable de charger et décharger rapidement tout en maintenant une tension stable, ce qui le rend bien adapté aux applications de forte puissance telles que les véhicules électriques, les véhicules commerciaux et les systèmes de stockage d'énergie industriels, ainsi que le stockage au niveau du réseau 

Avec son sécurité et fiabilité, ces batteries pourraient être utilisées pour l’armée et l’aérospatiale applications, ainsi que le stockage de l'énergie éolienne et solaire et la construction de systèmes intelligents grilles. De plus, selon Battery Space, ces batteries pourraient être utilisé dans les sauvegardes critiques du système électrique. Néanmoins, le titanate de lithium les batteries ont tendance à être plus chères que les batteries lithium-ion traditionnelles en raison au 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 s’est accélérée production d’énergie intermittente, créant un réseau déséquilibré. Cela a conduit à un demande de batteries, alors que l'accent est mis sur zéro émission de carbone et la nécessité d'évoluer s'éloigner des combustibles fossiles, à savoir le charbon, pour la production d'électricité. les gouvernements à encourager les installations d’énergie solaire et éolienne. Ces les installations se prêtent aux systèmes de stockage par batterie qui stockent l'énergie excédentaire généré 

Par conséquent, les incitations gouvernementales pour encourager les batteries Li-ion les installations stimulent également le développement des batteries lithium-ion. Par exemple, la taille du marché mondial des batteries lithium-ion NMC devrait passer du dollar américain millions en 2022 à millions de dollars US en 2029 ; il devrait croître à un TCAC de % de 2023 à 2029. Et les besoins croissants des applications exigeantes Les charges devraient faire des batteries lithium-ion de 3 000 à 10 000 les plus rapides segment en croissance 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 croître de 51,16 USD. milliards de dollars en 2022 à 118,15 milliards de dollars d'ici 2030, ce qui représente un taux annuel composé taux de croissance de 4,72% au cours de la période de prévision (2022-2030), qui dépend plusieurs facteurs.

l Analyse de l'utilisateur final

Les installations du secteur des services publics sont des moteurs clés du stockage d’énergie par batterie systèmes (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 taux plus élevé de 34,4 % TCAC en raison de leur faible base de croissance. Stockage d'énergie résidentiel et commercial les segments 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 atteindre zéro émission nette au cours des deux prochaines années décennies. Les entreprises de télécommunications et de centres de données sont à l'avant-garde de la réduction émissions de carbone en mettant davantage l’accent sur les sources d’énergie renouvelables. Tous dont favorisera le développement rapide des batteries lithium-ion comme 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 sont l'un des tendances de développement des batteries lithium-ion. LiNi0,5Mn1,5O4 haute tension (LNMO) avec une densité énergétique théorique élevée est l'une des solutions sans Co les plus prometteuses matériaux cathodiques dans la suite. De plus, les résultats expérimentaux ont prouvé que les performances de cyclage et de taux C de la batterie LNMO sont améliorées en utilisant le électrolyte semi-solide. On peut proposer que le COF anionique soit capable de absorber fortement le Mn3+/Mn2+ et le Ni2+ par interaction coulombienne, limitant leur migration destructrice vers l'anode. Ce travail sera donc être bénéfique pour la commercialisation du matériau cathodique LNMO.

l Analyse régionale

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

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. pris en compte, d’autres facteurs doivent également être gardés à l’esprit.

l Densité énergétique

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

l Sécurité

La sécurité est un autre aspect critique des batteries lithium-ion depuis les explosions et les incendies qui peuvent survenir pendant la charge ou la décharge, il est donc nécessaire de choisissez 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 la développement de batteries à semi-conducteurs, qui offrent de nombreux avantages tels que une densité énergétique plus élevée et un cycle de vie plus long. Par exemple, l'utilisation de les batteries à semi-conducteurs des voitures électriques augmenteront considérablement leur autonomie capacité et 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 l'expiration date avant de faire l'achat. Les batteries au lithium-ion ont une durée de vie inhérente plus longue durée de vie en raison de sa chimie, mais chaque batterie diffère les unes des autres en fonction de le type, les spécifications et la manière dont ils sont fabriqués. Des batteries de haute qualité durent plus longtemps car ils sont faits de matériaux fins à l’intérieur.