Les batteries lithium-ion sont les produits les plus populaires utilisés pour le stockage d'électricité solaire aujourd'hui. Dans la catégorie parapluie des batteries lithium-ion, il existe plusieurs chimies spécifiques qui fabricants de batteries emploient dans leurs produits. Ces chimies ont chacune leurs propres avantages et inconvénients, ainsi que des cas d'utilisation idéaux.
Aperçu d'un initié de l'industrie des cellules de batterie Li-ion, couvrant les tailles, les formats et les chimies les plus populaires. Compte tenu de la diversité des cellules Li-ion disponibles, l'accent est mis sur les cellules cylindriques et prismatiques dans des boîtiers métalliques.
Ce que vous allez apprendre:
● Les dernières tendances en matière de tailles, de formats et de chimies de cellules lithium-ion.
● Quelles sont les caractéristiques de performance des cellules lithium-ion populaires ?
● Qui sont les principaux fournisseurs de cellules pour chaque chimie des cellules lithium-ion ?
Les cellules lithium-ion se présentent sous trois facteurs de forme de base : cylindrique, prismatique (ou en forme de brique) et la forme rectangulaire plate des cellules lithium-polymère. Les formats standard pour les cellules cylindriques à enveloppe métallique sont 18650 (18 mm de diamètre × 65 mm de hauteur), 21700 (21 × 70 mm) ou 26650 (26 × 65 mm). Dans les cellules cylindriques et prismatiques, des couches de matériau de batterie sont enroulées à l'intérieur comme un rouleau de gelée. Les cellules cylindriques et prismatiques lithium-ion sont conditionnées dans des boîtes métalliques.
Les cellules prismatiques ou en forme de brique sont souvent économiques et disponibles dans une myriade de tailles. L'une des principales caractéristiques d'une cellule prismatique est l'évent de pression avec des bornes au-dessus de la boîte métallique. Les bornes positive et négative de la cellule prismatique sont des languettes dépassant de la cellule. Dans les packs de batteries multicellulaires avec des contraintes d'espace, les prismatiques sont recommandés car leur forme rectangulaire permet de minimiser les entrefers entre les cellules.
Certains des types les plus courants comprennent :
● Phosphate de fer et de lithium (LFP)
● Oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC)
● Oxyde de cobalt-lithium (LCO)
● Oxyde de lithium manganèse (LMO)
● Oxyde d'aluminium lithium nickel cobalt (NCA)
Toutefois, équipement de manutention est généralement alimenté par des produits chimiques d'oxyde de lithium et de nickel-manganèse-cobalt.
Ci-dessous, nous explorerons ces chimies et comment elles jouent un rôle dans la fabrication des batteries lithium-ion l'un des choix d'alimentation les plus populaires pour les équipements de manutention.
La chimie LFP offre également de bonnes performances électrochimiques avec une faible impédance, car il utilise un matériau phosphate pour la cathode. Les principaux avantages sont une alimentation en courant élevée et une durée de vie exceptionnelle, une bonne stabilité thermique et une sécurité supérieure contre les conditions abusives. Ces types de cellules ont un matériau de cathode intrinsèquement plus sûr que les batteries NMC et ne se décomposent pas à des températures plus élevées. Les cellules lithium-ion ont tendance à contenir des substances hautement inflammables ; s'ils sont endommagés ou surchargés, ils peuvent surchauffer de manière incontrôlable dans un emballement thermique. La surchauffe peut provoquer de la fumée, des incendies ou même des explosions.
Les batteries LFP offrent la meilleure stabilité thermique et chimique. De plus, comme le LFP a une densité énergétique inférieure (en volume et en poids) et un coût par watt-heure plus élevé que les batteries LCO, NCA, NMC ou LFP, il est idéal pour les applications nécessitant une puissance nominale élevée, une longue durée de vie , ou des températures de fonctionnement élevées. Traditionnellement, il y a eu très peu de chevauchement de LCO/NCA/NMC et LFP dans leurs applications spécifiques. Les principaux fabricants de cellules LFP sont BYD, CALB et CATL.
Les cellules de batterie NMC remplacent les cellules LFP dans certaines applications en raison de l'augmentation des puissances nominales, de la densité énergétique élevée et du coût inférieur par watt-heure. Ils commencent également à remplacer les cellules LFP dans les systèmes à haute puissance, tels que les outils électriques, les batteries pour les équipements de manutention et les groupes motopropulseurs pour les bus électriques.
Pour chaque chimie cellulaire, une segmentation existe au sein de chaque catégorie, car les fabricants de batteries poussent leurs produits vers le segment de marché à haute énergie ou à haute puissance. Nous commençons à voir plus de chevauchement entre les cellules NMC haute puissance et les cellules LFP haute énergie. Dans de nombreux cas, il n'y a plus de chimie cellulaire clairement supérieure pour un ensemble spécifique d'exigences de performance.
BSLBATT Lithium fabrique des packs de batteries pour de nombreuses applications industrielles, et la société utilise généralement des cellules LFP. Le phosphate de fer au lithium est plus compact et plus dense en énergie, ce qui en fait un excellent choix pour nous dans les applications de manutention de matériaux, telles que l'alimentation d'équipements tels que les chariots élévateurs électriques, les transpalettes à pied et les cavaliers finaux.
Les chimies d'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt sont très denses en énergie, ce qui signifie qu'elles offrent un niveau de performance plus élevé, si l'équipement est conçu pour le supporter. Les taux de charge et de décharge élevés en font un choix plus populaire pour les véhicules électriques, tels que les vélos électriques, les bus, les outils électriques sans fil et autres groupes motopropulseurs électriques.
Mais un taux de décharge élevé n'est bénéfique que si vous prévoyez d'utiliser l'équipement pendant des périodes plus courtes. Étant donné que la plupart des équipements de manutention sont utilisés pour un quart de travail entier de 8 à 10 heures, voire plusieurs quarts de travail, l'amélioration des performances n'offre aucun avantage.
Ce type de chimie de batterie utilise une combinaison de nickel, de manganèse et de cobalt pour la cathode. Bien que l'inclusion de nickel donne à la cellule une énergie spécifique élevée, cela réduit également sa stabilité.
L'inclusion de manganèse, d'autre part, offre une faible résistance interne, mais présente également une faible énergie spécifique. Combinées, cependant, les chimies fonctionnent ensemble pour faire de ce type de batterie un choix approprié pour certains types d'équipement. L'augmentation des performances a un prix… Les batteries lithium-nickel manganèse-cobalt ont une température d'emballement thermique inférieure, ce qui signifie qu'elles sont moins sûres que les LFP.
À revoir : les cellules lithium-ion emballées dans des boîtiers métalliques se présentent sous deux formes : cylindrique et prismatique.
L'illustration compare les tailles de cellules 18650 et 21700.
Les cellules cylindriques sont disponibles dans de nombreux formats, mais traditionnellement, le format le plus populaire pour les cellules de batterie LCO, NCA et NMC était le 18650. Et lorsque Panasonic s'est associé à Tesla pour créer une nouvelle batterie EV, ils ont développé le format de cellule unique 21700.
L'extension des dimensions de la cellule 18650 de plusieurs millimètres (Fig. 1) entraîne une augmentation volumétrique de 50 % du matériau actif de la batterie. Cette taille de cellule est actuellement prise en charge par la plupart des principaux fabricants de cellules NMC. En conséquence, les 18650 et 21700 sont les deux formats les plus courants pour la chimie NMC. Si vous sélectionnez une cellule 18650 ou 21700 pour construire une batterie NMC, la recherche d'une autre cellule avec des performances similaires est assurée compte tenu de la normalisation.
Selon les analystes du secteur, plus de 2 milliards de cellules basées sur le format 21700 ont été expédiées en 2020, soit une augmentation de 25 % par rapport à l'année précédente. Ces types de cellules représentaient également 24% de toutes les batteries cylindriques expédiées en 2020, selon d'autres estimations. La cellule 26650 n'est généralement pas associée à la chimie NMC. Les formats NMC prismatiques plus petits, tels que le 103450 (10 × 34 × 50 mm), sont tombés en désuétude ces dernières années, car les cellules lithium-polymère sont devenues plus populaires.
Pour les cellules LFP, les formats 18650 et 26650 sont courants ; les deux ont tendance à être proposés par les principaux fabricants de cellules LFP (Fig. 2). Cela permet un double approvisionnement auprès de fabricants de cellules concurrents lors du choix des cellules LFP pour un bloc-batterie. Le format 26650 a été largement limité à la chimie des cellules LFP. Les grandes cellules LFP prismatiques, dans la plage de 50 à 100 Ah, ont gagné en popularité au cours des dernières années.
2. Caractéristiques de performance des cellules 18650 NMC et LFP typiques.
Les formats prismatiques LFP plus grands sont couramment utilisés dans les véhicules électriques ou les équipements industriels tels que les chariots élévateurs (Fig. 3). Ces batteries sont classées en moyen ou grand format et demandent des puissances nominales très élevées. Malheureusement, les normes sont rares pour les cellules LFP prismatiques de grand format, de sorte que toute cellule sélectionnée pour un bloc-batterie sera fournie par un fabricant spécifique.
3. Cette batterie de chariot élévateur de format moyen est basée sur des cellules LFP de 100 Ah.
L'avenir des produits électriques est déjà là. Les avantages de la commutation à partir de sources d'alimentation conventionnelles sont trop beaux pour être ignorés. Alors que de plus en plus d'industries et d'entreprises prennent conscience des avantages de la technologie lithium-ion, la décision commerciale de basculer devient beaucoup plus facile à prendre.
