Performances des batteries : Batteries de stockage d'énergie VS Batteries d'alimentation : analyse approfondie des différences, qui prévaudra à l'avenir ?

Dans le secteur de l'énergie, les batteries de stockage d'énergie et les batteries de puissance sont comme deux étoiles brillantes, chacune rayonnant de son éclat unique et jouant un rôle irremplaçable et crucial. Malgré certaines similitudes techniques, en raison de leurs applications très différentes, elles présentent des différences significatives en termes de performances, de durée de vie et de nombreux autres aspects.

I. Stockage d'énergie et puissance : les géants du stockage d'énergie sur des pistes différentes Les batteries de stockage d'énergie se concentrent principalement sur le stockage d'énergie électrique, et leurs domaines d'application sont vastes, couvrant tous les aspects du stockage d'énergie, tels que le stockage par pompage, le stockage sur batterie, le stockage mécanique, le stockage à air comprimé et d'autres domaines industriels. Elles impliquent également les stations de base de communication 5G, le stockage d'énergie domestique, les alimentations UPS des centres de données, etc. Les batteries d'énergie, quant à elles, sont pleinement engagées à injecter une force motrice puissante dans divers équipements électriques, y compris les véhicules électriques, les vélos électriques, les trains électriques, les véhicules logistiques électriques, etc. Dans un système complet de stockage d'énergie électrochimique, le coût des batteries représente jusqu'à 60 % du coût total et se compose principalement de packs de batteries, de systèmes de gestion de batterie (BMS), de systèmes de gestion de l'énergie (EMS), de systèmes de conversion de puissance (PCS) pour le stockage d'énergie et d'autres équipements électriques. Le pack de batteries d'énergie pour véhicule se compose de modules de batterie, de systèmes de gestion de batterie, de systèmes de gestion thermique, de systèmes électriques et de systèmes structurels, parmi lesquels le coût des cellules représente environ 80 %.

Prenons l'exemple de la recherche et de l'analyse de la carte de la chaîne industrielle des batteries électriques en Chine en 2024 : l'amont de la chaîne industrielle des batteries électriques comprend principalement les matières minérales et les matériaux pour batteries ; le milieu correspond au processus de production et de fabrication des batteries électriques ; et l'aval correspond à l'application et au marché secondaire des batteries électriques. Avec l'expansion continue du marché des véhicules à énergie nouvelle, la production et les ventes de batteries lithium-ion de puissance en Chine ont connu une croissance constante. En 2023, la production chinoise de batteries lithium-ion de puissance a atteint 664,7 GWh, soit une augmentation de 21,8 % par rapport à l'année précédente ; le volume des ventes s'est élevé à 616,3 GWh, soit une augmentation de 32,4 % par rapport à l'année précédente. Parallèlement, les batteries de stockage d'énergie jouent un rôle clé dans l'équilibrage des systèmes électriques, la fourniture de services auxiliaires et la récupération d'énergie, contribuant de manière remarquable à l'optimisation de l'utilisation des ressources énergétiques, à l'amélioration de l'efficacité des systèmes électriques et à la réduction des coûts énergétiques.
II. Batteries de stockage d'énergie : des gardiens de l'énergie électrique aux caractéristiques distinctives
(A) Types et caractéristiques

1. Batteries plomb-acide : Elles présentent les avantages d'un faible coût, d'un accès facile aux matériaux, d'une technologie mature, d'une grande fiabilité et d'un recyclage aisé. Cependant, leur énergie massique est relativement faible, ne représentant qu'une fraction de celle des batteries lithium-ion, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker moins d'énergie électrique par unité de poids ou de volume. Leur durée de vie est courte, elles nécessitent des remplacements fréquents, leurs coûts de maintenance sont élevés et leur production et leur utilisation peuvent engendrer une certaine pollution environnementale.

2. Batteries lithium-ion : Elles présentent une densité énergétique relativement élevée. La densité énergétique des monomères des cœurs de cellules ternaires peut atteindre 200 Wh/kg, et celle des batteries lithium-ion à base de lithium-fer-phosphate jusqu'à 160 Wh/kg. Leur durée de vie est longue, la durée de vie maximale des batteries ternaires dépassant 4 000 fois celle des batteries lithium-ion à base de lithium-fer-phosphate atteignant plus de 6 000 fois. Leur densité de puissance élevée permet d'atteindre une puissance de stockage d'énergie à grande échelle de 2 C, voire 4 C, selon des conceptions spécifiques, ce qui témoigne d'un fort potentiel de développement.

3. Batteries à flux : Leur capacité de stockage d'énergie et de puissance peut être conçue indépendamment, offrant une flexibilité exceptionnelle. Les électrolytes aqueux présentent des avantages intrinsèques : sécurité, flexibilité de configuration en termes de durée et d'échelle, et conviennent aux secteurs de la production d'électricité, du réseau et des utilisateurs, et peuvent même être installés à l'intérieur des bâtiments. La batterie à flux tout vanadium est la plus mature du marché, et le nouveau type de batterie à flux Empiler a une densité de courant nominale de 400 mA/cm², réduisant efficacement le coût actualisé de l'électricité sur l'ensemble du cycle de vie.

4. Batteries sodium-soufre : Elles présentent une énergie massique élevée, théoriquement de 760 Wh/kg et réelle de plus de 100 Wh/kg, soit 3 à 4 fois supérieure à celle des batteries plomb-acide. Elles peuvent se décharger à courant et puissance élevés, avec une densité de courant de décharge atteignant généralement 200 à 300 mA/cm², et peuvent libérer instantanément trois fois leur énergie intrinsèque. Leur rendement de charge-décharge est élevé, proche de 100 %. Cependant, elles présentent des inconvénients tels qu'une forte corrosion à haute température, une faible durée de vie, une faible stabilité des performances et une sécurité d'utilisation insuffisante. Leur température de fonctionnement se situe entre 300 et 350 °C, ce qui nécessite un certain chauffage et une conservation de la chaleur.
(B) Avantages en termes de performances

1. Ils offrent une large plage de température et peuvent fonctionner normalement dans un environnement de -30 à 60 °C. Par exemple, dans l'environnement rigoureux de -20 °C à Keyouzhongqi, dans l'est de la Mongolie intérieure, les batteries à flux tout-vanadium peuvent fonctionner de manière stable.
2. Ils ont une bonne cohérence de capacité, peuvent maintenir une cohérence élevée lors de la connexion en série et en parallèle des batteries, ont une forte capacité d'acceptation de charge et peuvent s'adapter à des environnements de charge instables.
3. Leur durée de vie est longue. La durée de vie calendaire des batteries à flux tout vanadium peut dépasser 20 ans et leur durée de vie peut atteindre plus de 13 000 cycles. Les batteries de stockage d'énergie lithium-ion présentent également une durée de vie élevée, la durée de vie maximale des batteries ternaires dépassant 4 000 cycles et celle des batteries lithium-ion fer-phosphate atteignant 6 000 cycles, ce qui réduit considérablement les coûts de maintenance et de réparation, ainsi que l'investissement global du système.
III. Batteries électriques : pionniers de l'énergie dans le domaine électrique
(A) Types et caractéristiques

1. Batteries lithium-ion : Elles présentent une densité énergétique élevée, celle du monomère pouvant atteindre 300 Wh/kg. Leur tension de fonctionnement élevée, généralement de 3,7 V, est trois fois supérieure à celle des batteries nickel-cadmium et nickel-hydrure métallique, et près de deux fois supérieure à celle des batteries plomb-acide. Leur durée de vie est longue : les batteries lithium-ion ternaires peuvent effectuer des cycles de charge plus de 1 000 fois plus longtemps, et les batteries lithium-ion fer-phosphate plus de 2 000 fois plus longtemps. Par exemple, la batterie lithium-ion de la Tesla Model 3 offre une autonomie de plus de 400 kilomètres, ce qui met pleinement en évidence l'avantage d'une densité énergétique élevée.

2. Batteries rechargeables nickel-hydrure métallique : elles se chargent et se déchargent rapidement. À grande vitesse, l'énergie électrique générée par le générateur est stockée dans la batterie nickel-hydrure métallique embarquée. À faible vitesse, elle alimente le véhicule, optimisant ainsi son efficacité énergétique. Elles offrent une bonne sécurité, mais sont coûteuses et ont une densité énergétique relativement faible. Les premiers modèles de Toyota Prius utilisaient des batteries nickel-hydrure métallique, puis ont progressivement adopté des batteries lithium-ion.

3. Piles à combustible : Elles convertissent directement l'énergie chimique en énergie électrique. L'électrode positive est une électrode à oxygène et l'électrode négative est une électrode à combustible tel que l'hydrogène, les hydrocarbures ou l'éthanol. Elles sont non polluantes, ne produisent que de l'eau et de la chaleur et sont extrêmement respectueuses de l'environnement. Cependant, elles présentent des exigences techniques élevées et nécessitent des systèmes complexes de stockage et d'approvisionnement en combustible, ainsi que des réactions électrochimiques. Par exemple, les piles à combustible à hydrogène nécessitent la construction de stations-service et d'autres infrastructures. Le coût élevé de leur construction et le nombre limité de ces stations ont limité leur diffusion et leur application.

4. Batteries plomb-acide : Elles offrent une bonne fiabilité, des matières premières facilement disponibles et un faible coût. Elles sont largement utilisées comme sources d'énergie de démarrage pour les véhicules à moteur à combustion interne. Cependant, elles présentent une faible énergie massique et volumique, ainsi qu'une durée de vie courte, généralement de 300 à 500 cycles. Dans le secteur des véhicules électriques, elles ont été progressivement remplacées par d'autres types de batteries d'alimentation en raison de leurs performances limitées.

5. Batteries sodium-soufre : Elles peuvent se décharger à fort courant et à forte puissance, avec une densité de courant de décharge atteignant généralement 200 à 300 mA/cm² et peuvent libérer instantanément trois fois leur énergie intrinsèque. Leur rendement de charge-décharge est élevé, proche de 100 %. Cependant, elles présentent une forte corrosion à haute température. Leur température de fonctionnement est comprise entre 300 et 350 °C, nécessitant un chauffage et une conservation de la chaleur, ce qui augmente la complexité et le coût du système. Leur durée de vie est courte et leur stabilité et leur sécurité d'utilisation sont faibles.
(B) Avantages en termes de performances

1. Une énergie élevée offre une plus grande autonomie aux véhicules électriques en mode purement électrique. Les batteries à haute densité énergétique, comme les batteries lithium-ion, permettent aux véhicules électriques de parcourir de longues distances, répondant ainsi aux exigences des consommateurs en matière d'autonomie. Les véhicules électriques haut de gamme équipés de batteries lithium-ion de grande capacité peuvent afficher une autonomie de plus de 500, voire 600 kilomètres, comparable à celle des véhicules thermiques traditionnels.
2. Une puissance élevée répond aux besoins énergétiques des véhicules. La puissance des batteries permet aux véhicules électriques d'excellentes performances en accélération, en montée, etc. Les véhicules électriques hautes performances peuvent accélérer jusqu'à 100 kilomètres en 3 à 4 secondes, grâce à leur puissant système de batteries capable de produire une grande quantité d'énergie électrique en peu de temps.
3. Une longue durée de vie réduit le coût d'utilisation des véhicules électriques. Les batteries longue durée réduisent la fréquence de remplacement, diminuant ainsi le coût d'utilisation des véhicules électriques. Les batteries lithium-ion ont une durée de vie de plusieurs milliers de cycles et peuvent être utilisées normalement pendant plusieurs années, voire plus, réduisant ainsi les dépenses de remplacement des batteries.
4. Un faible coût améliore le rapport coût-performance des véhicules électriques. La réduction du coût des batteries est essentielle. Grâce aux progrès technologiques et à la production à grande échelle, le prix des batteries n'a cessé de baisser, rendant les véhicules électriques plus abordables et favorisant le développement du marché des véhicules électriques.
5. Une sécurité optimale garantit la sécurité des personnes et des appareils électriques embarqués. La sécurité des batteries d'alimentation est essentielle et permet de garantir la sécurité des personnes et des appareils électriques embarqués. Par exemple, certaines batteries lithium-ion intègrent de multiples mesures de protection, réduisant ainsi efficacement les risques d'accident.
IV. Les différences essentielles entre le stockage d'énergie et l'électricité : concurrence entre scénarios d'application et performances
(A) Différents scénarios d'application

Les batteries de stockage d'énergie sont principalement utilisées pour le stockage d'énergie afin d'équilibrer l'offre et la demande, d'améliorer l'efficacité énergétique et de réduire les coûts énergétiques. Elles couvrent des domaines tels que le stockage d'énergie sur réseau, le stockage d'énergie industriel et commercial, et le stockage d'énergie domestique. Sur le réseau électrique, elles permettent d'écrêter et de compenser les pics de consommation, en stockant l'énergie électrique pendant les heures creuses et en la restituant pendant les heures de pointe. Les batteries d'énergie, quant à elles, sont spécifiquement conçues pour alimenter les appareils mobiles afin de répondre aux besoins de conduite et de travail des véhicules électriques, des vélos électriques, des outils électriques, etc.
(B) Différentes caractéristiques de charge-décharge

Les batteries de stockage d'énergie ont généralement un faible taux de charge-décharge, et n'exigent pas de vitesse de charge-décharge élevée. Elles privilégient la longévité et l'efficacité du stockage d'énergie. Les batteries de puissance, en revanche, doivent supporter un taux de charge-décharge élevé pour répondre aux besoins élevés de puissance lors des accélérations, des montées, etc. Par exemple, lorsqu'un véhicule électrique accélère, la batterie de puissance doit libérer une grande quantité d'énergie électrique en peu de temps.
(C) Différentes exigences en matière de densité énergétique et de densité de puissance

Les batteries de puissance recherchent une densité énergétique et une puissance de sortie élevées pour répondre aux exigences d'autonomie et d'accélération des véhicules électriques. Elles utilisent des matériaux électrochimiques actifs et des structures de batterie compactes. Par exemple, la batterie lithium-ion des voitures Tesla présente une densité énergétique élevée et offre une grande autonomie. Les batteries de stockage d'énergie ont des exigences relativement plus faibles en termes de densité énergétique et de puissance. Elles privilégient le coût et la stabilité, en adoptant des matériaux électrochimiques stables et des structures de batterie souples pour stocker davantage d'énergie électrique et maintenir des performances stables.
(D) Grande différence dans la durée de vie du cycle
Les batteries de stockage d'énergie nécessitent généralement une longue durée de vie, pouvant atteindre des milliers, voire des dizaines de milliers de cycles, pour garantir un fonctionnement stable à long terme. Par exemple, les batteries des centrales électriques à grande échelle nécessitent des cycles de plusieurs dizaines de milliers. La durée de vie des batteries de puissance est relativement courte, généralement comprise entre quelques centaines et quelques milliers de cycles, et dépend des conditions de conduite du véhicule, des méthodes de charge et de décharge, ainsi que d'autres facteurs.
(E) Des coûts différents
Les batteries de stockage d'énergie privilégient la maîtrise des coûts afin de garantir la rentabilité des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle. Dans les projets de stockage d'énergie à grande échelle, on privilégie des matériaux et des technologies à moindre coût et aux performances stables. Les batteries de puissance réduisent les coûts en garantissant les performances, mais leur coût est relativement élevé car elles doivent répondre aux exigences élevées des véhicules, telles qu'une densité énergétique élevée et une puissance de sortie élevée.
(F) Différentes normes de sécurité
Les batteries d'alimentation simulent des situations extrêmes lors de la conduite d'un véhicule, telles que des collisions à grande vitesse, des surchauffes lors de charges et de décharges rapides, etc. Les normes se concentrent sur la sécurité globale en cas de collision et la sécurité électrique du véhicule. Les batteries d'alimentation des véhicules électriques sont soumises à des tests de collision et à des certifications de sécurité rigoureux. Les systèmes de stockage d'énergie sont de grande envergure et les conséquences d'un incendie sont graves. Les normes de lutte contre l'incendie sont donc plus strictes, notamment en ce qui concerne le temps de réponse du système d'extinction, la quantité et le type d'agent extincteur, etc. Les centrales de stockage d'énergie à grande échelle sont équipées de systèmes de lutte contre l'incendie avancés.
(G) Différents procédés de fabrication
Le processus de fabrication des batteries de stockage d'énergie est soumis à des exigences environnementales élevées, notamment en matière de contrôle strict de l'humidité et des impuretés afin de préserver les performances de la batterie. Le processus de production comprend la préparation des électrodes, l'assemblage de la batterie, l'injection de liquide, le formage, etc. Ce dernier a un impact considérable sur les performances. Il doit être réalisé dans un atelier exempt de poussière pour garantir qualité et performance. Le processus de fabrication des batteries de stockage d'énergie est relativement simple, mais il est essentiel de garantir constance et fiabilité. Une attention particulière doit être portée au contrôle de l'épaisseur et de la densité des électrodes afin d'améliorer la densité énergétique et la durée de vie.
(H) Sélection de matériaux différents
Les batteries de puissance nécessitent une densité énergétique élevée et de bonnes performances. Des matériaux d'électrode positive à haute capacité spécifique, tels que des matériaux ternaires à haute teneur en nickel et du lithium-fer-phosphate, sont sélectionnés, tandis que le matériau d'électrode négative est généralement du graphite. Des exigences élevées sont imposées à la conductivité ionique et à la stabilité de l'électrolyte. Par exemple, la batterie lithium-ion des voitures Tesla utilise des matériaux ternaires à haute teneur en nickel pour l'électrode positive. Les batteries de stockage d'énergie privilégient la longue durée de vie et la rentabilité. Le matériau d'électrode positive peut être du lithium-fer-phosphate, du lithium-manganate, etc., et le matériau d'électrode négative du lithium-titanate, etc. L'électrolyte présente des exigences relativement faibles en matière de conductivité ionique, mais des exigences plus élevées en matière de stabilité et de coût.
V. Perspectives d'avenir : La voie inconnue du stockage d'énergie et de l'électricité Bien que les batteries de stockage d'énergie et les batteries de puissance soient toutes deux des dispositifs de stockage d'énergie, en raison des différences dans les scénarios d'application et les exigences de performance, il existe des différences évidentes sur de nombreux aspects. En regardant vers l'avenir, avec les progrès continus de la technologie, les différences entre les deux pourraient progressivement se réduire. Les nouvelles technologies de batterie devraient répondre simultanément aux exigences des domaines du stockage d'énergie et de l'électricité. L'accélération de la transition énergétique stimulera également la croissance continue de la demande du marché des batteries de stockage d'énergie et des batteries de puissance. Sous la double impulsion des politiques et de la technologie, les industries des batteries de stockage d'énergie et des batteries de puissance ouvriront la voie à davantage d'opportunités et de défis, contribuant ainsi à un développement énergétique plus durable. Qui dominera à l'avenir ? Attendons de voir.