Batteries lithium-ion : dépasser les limites de l'énergie et de la vitesse. Équipement de batterie lithium-ion

À l'ère du développement technologique rapide, les batteries lithium-ion, sources d'énergie essentielles de nombreux appareils électroniques et véhicules électriques, sont essentielles en termes de performances. La densité énergétique et le taux de charge-décharge des batteries lithium-ion sont deux indicateurs clés de leurs performances. (Équipement pour batteries lithium-ion)

I. Densité énergétique : le goulot d'étranglement qui limite le développement des batteries lithium-ion

En termes simples, la densité énergétique est la quantité d'énergie stockable par unité de volume ou de poids. Une densité énergétique plus élevée signifie que la batterie peut offrir une autonomie plus longue aux appareils. Des batteries plomb-acide aux batteries nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, puis aux batteries lithium-ion, la densité énergétique n'a cessé d'augmenter. Cependant, comparée aux besoins énergétiques humains et au rythme de développement industriel, cette augmentation semble plutôt lente. Certains plaisantent même en disant que le progrès humain est « bloqué » par les batteries.

1. Facteurs affectant la densité énergétique des batteries lithium-ion

(1) Limites des systèmes et structures chimiques

Dans les batteries lithium-ion, le lithium est principalement le vecteur d'énergie électrique, et d'autres substances limitent dans une certaine mesure l'augmentation de la densité énergétique. Par exemple, dans une batterie lithium-ion, la proportion massique de lithium est généralement légèrement supérieure à 1 %, les 99 % restants étant des substances qui n'assurent pas la fonction de stockage d'énergie.
(2) Méthodes pour augmenter la densité énergétique

Augmentation de la proportion de substances actives de l'électrode positive : Dans un même système chimique de batterie, l'augmentation de la teneur en lithium peut accroître la densité énergétique. Par conséquent, sous certaines limites de volume et de poids, l'augmentation de la proportion de substances actives de l'électrode positive permet à une plus grande quantité de lithium de participer au stockage d'énergie.

Augmenter la proportion de substances actives d'électrode négative : Pour correspondre à l'augmentation des substances actives d'électrode positive, davantage de substances actives d'électrode négative sont nécessaires pour accueillir les ions lithium migrant de l'électrode positive, empêchant ainsi les réactions chimiques irréversibles et l'atténuation de la capacité de la batterie.
Augmentation de la capacité spécifique des matériaux d'électrode positive : Lorsque la quantité totale de substances actives d'électrode positive est fixée, l'augmentation de la proportion massique d'ions lithium insérables et extrayables par rapport à ces substances, c'est-à-dire l'augmentation de la capacité spécifique, peut accroître la densité énergétique. Du cobaltate de lithium au phosphate de fer et de lithium, en passant par les matériaux ternaires, tous ces matériaux visent à atteindre cet objectif. Pour les améliorer encore, de nouveaux matériaux d'électrode positive doivent être développés et industrialisés.
Augmentation de la capacité spécifique des matériaux d'électrode négative : Bien que la capacité spécifique des matériaux d'électrode négative ne soit pas actuellement le principal obstacle à la densité énergétique des batteries lithium-ion, son augmentation permet de réduire la masse des matériaux d'électrode négative, d'accueillir davantage d'ions lithium et donc d'augmenter la densité énergétique. Par exemple, la recherche porte sur les matériaux à base de carbone dur, les matériaux à base de nanocarbone, les matériaux d'électrode négative à base d'étain et de silicium, etc.
Réduction du poids : Outre les substances actives des électrodes positives et négatives, les électrolytes, les séparateurs, les liants, les agents conducteurs, les collecteurs de courant, les substrats et les matériaux du boîtier représentent environ 40 % du poids total de la batterie. Réduire le poids de ces matériaux sans affecter les performances de la batterie peut augmenter la densité énergétique des batteries lithium-ion.
L'augmentation de la densité énergétique des batteries lithium-ion est un projet systématique. Des solutions à court, moyen et long terme doivent être recherchées, notamment en améliorant les procédés de fabrication, en améliorant les performances des matériaux existants et en développant de nouveaux matériaux et systèmes chimiques.
II. Taux de charge et de décharge : la clé pour déterminer la vitesse de la batterie

Le taux de charge-décharge détermine la vitesse à laquelle les batteries lithium-ion stockent et libèrent l'énergie. Dans les outils électriques et les véhicules électriques, ce taux est particulièrement important.

1. Situation actuelle et problèmes du taux de charge-décharge des batteries lithium-ion

Actuellement, les batteries lithium-ion mettent beaucoup de temps à se charger et ne peuvent pas être déchargées trop rapidement, sous peine de compromettre leur autonomie et leur sécurité. Par exemple, lorsque vous conduisez un véhicule électrique pour faire vos courses, si la batterie est déchargée à mi-chemin et que vous essayez de la recharger, la charge complète peut prendre beaucoup de temps ; en montée, le véhicule peut manquer de puissance en raison d'un taux de décharge insuffisant. Ce sont des scénarios que nous ne souhaitons pas voir, mais c'est la situation actuelle des batteries lithium-ion.

2. Facteurs affectant le taux de charge-décharge des batteries lithium-ion et méthodes d'amélioration

(1) Augmenter la capacité de diffusion des ions lithium des électrodes positives et négatives

Les taux d'intercalation et de désintercalation des ions lithium dans les substances actives des électrodes positives et négatives, ainsi que la vitesse de migration entre ces dernières, sont des facteurs importants qui influencent le taux de charge et de décharge. Pour accroître la capacité de diffusion des ions lithium, les aspects suivants peuvent être pris en compte :
Optimisation des matériaux d'électrode positive : La plaque d'électrode positive doit être fine et sa densité de compaction doit être augmentée afin de réduire la distance de diffusion des ions lithium. Parallèlement, la substance active doit comporter suffisamment de pores pour offrir une piste d'atterrissage uniformément répartie aux ions lithium. Cependant, ces deux points sont contradictoires et un équilibre doit être trouvé. De plus, le choix d'un matériau d'électrode positive présentant un coefficient de diffusion des ions lithium élevé peut également améliorer les performances.
Amélioration des matériaux d'électrode négative : Le traitement des matériaux d'électrode négative est similaire à celui des matériaux d'électrode positive. En fonction de la structure, de la taille et de l'épaisseur, la différence de concentration en ions lithium dans les matériaux d'électrode négative peut être réduite afin d'améliorer la capacité de diffusion. Par exemple, la recherche sur les matériaux nanocarbonés peut améliorer la surface spécifique, la structure interne et les canaux de diffusion des matériaux d'électrode négative, améliorant ainsi leurs performances.
(2) Augmenter la conductivité ionique de l'électrolyte

Dans la course aux ions lithium dans l'électrolyte, la réduction de la résistance de l'électrolyte (augmentation de la conductivité ionique) est essentielle pour accélérer la cadence. Actuellement, les électrolytes organiques utilisés dans les batteries lithium-ion présentent une faible conductivité ionique, et la résistance devient un élément important de la résistance de la batterie. De plus, il convient de prêter attention à la stabilité chimique et thermique de l'électrolyte. Il est donc essentiel de choisir un électrolyte présentant une conductivité élevée des ions lithium, une bonne stabilité chimique et thermique, et compatible avec les matériaux d'électrode.
(3) Réduire la résistance interne de la batterie
La résistance interne de la batterie est composée de la résistance interne de la substance active de l'électrode positive, des résistances des collecteurs de courant des électrodes positive et négative, des résistances aux interfaces électrolyte-électrode, etc. La résistance interne de la batterie peut être réduite et les performances de débit peuvent être améliorées en ajoutant des agents conducteurs à l'intérieur de la substance active de l'électrode positive, en changeant le matériau et la taille des collecteurs de courant, en optimisant le degré de mouillage entre l'électrolyte et les électrodes et en contrôlant les changements du film SEI sur la surface de l'électrode négative.
En conclusion, la densité énergétique et le taux de charge-décharge des batteries lithium-ion sont des indicateurs clés de leurs performances. Pour surmonter ces limites, les chercheurs doivent mener des recherches approfondies et innover sous de multiples angles, ouvrant ainsi de nouvelles voies de développement de batteries lithium-ion répondant à la demande de batteries hautes performances.

La nouvelle machine de gravure laser développée par Yixin Feng a permis de réaliser des avancées significatives à cet égard. L'équipement utilise la technologie de gravure physique laser pour graver directement des canaux verticaux sur l'électrode négative. Cette technologie permet une transmission capillaire optimale, améliorant considérablement l'effet mouillant et la vitesse de l'électrolyte. Parallèlement, elle réduit la tortuosité des pores de l'électrode, augmente le coefficient de diffusion effectif des ions lithium et stocke l'électrolyte en formant des rainures. Cela permet d'augmenter la durée de vie de la batterie, de réduire sa résistance interne et de diminuer le dépôt de lithium sur l'électrode négative.