Paysage technologique des batteries au lithium
Des batteries lithium-polymère ternaires aux batteries lithium-fer-phosphate : comment choisir précisément la batterie adaptée à votre équipement industriel ?
Les fondements de la chimie des batteries au lithium : les quatre principaux matériaux de cathode
Batteries à lithium, Également connues sous le nom de batteries lithium-ion, elles représentent une avancée technologique majeure dans le stockage électrochimique moderne de l'énergie. Leur principe de fonctionnement repose sur l'insertion et l'extraction réversibles d'ions lithium entre la cathode (par exemple, la cellule électrochimique). Lièmeoxyde de cobalt et de lithium (LCO), phosphate de fer et de lithium (LiFePO₄) ou matériaux ternaires (NMC/NCA)) et l'anode (comme le graphite ou les composites silicium-carbone). Ce mécanisme leur confère des avantages révolutionnaires, notamment densité énergétique ultra-élevée, longue durée de vie, capacité de charge/décharge rapide et faibles taux d'autodécharge.
Des sources d'alimentation portables pour smartphones et ordinateurs portables au cœur robuste des véhicules électriques, en passant par les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle raccordés au réseau et les applications croissantes dans les véhicules et machines industriels, les batteries au lithium ont profondément transformé notre consommation d'énergie. Elles constituent la technologie fondamentale qui sous-tend la révolution de l'électronique grand public et la transition énergétique mondiale.
Phosphate de fer lithié - Le « Gardien de la durabilité » à toute épreuve
Formule chimique: LiFePO₄
Caractéristiques principales : Sécurité optimale, durée de vie exceptionnellement longue, excellentes performances énergétiques, rentabilité, respect de l'environnement.
Microstructure : Sa structure stable de liaison covalente phosphore-oxygène assure une grande stabilité thermique, minimise le dégagement d'oxygène et élimine fondamentalement les risques de combustion ou d'explosion.
Applications idéales : Chariots élévateurs électriques, plateformes de travail aériennes, équipements industriels lourds, systèmes de stockage d'énergie— tout scénario exigeant une sécurité, une longévité et un coût total de possession optimaux.
LiFePO₄ est la référence du secteur. Nous optimisons ses performances à basse température et la précision de ses calculs énergétiques grâce à un système de gestion de batterie avancé, ce qui en perfectionne les capacités.
Oxyde de lithium-cobalt (LCO) - Le vétéran de l'électronique grand public
Les batteries au lithium à chimie LCO sont les moins récentes, principalement utilisées pour appareils électroniques et Applications mobiles, et se composent d'une cathode d'oxyde de cobalt (électrode positive) et d'une anode de carbone graphite (électrode négative).
Formule chimique: LiCoO₂ (LCO)
Caractéristiques principales : Haute densité énergétique, procédé de fabrication éprouvé.
Microstructure : Le cobalt assure la stabilité structurelle, mais une teneur élevée en cobalt entraîne des coûts élevés, une faible stabilité thermique et une durée de vie limitée.
Mieux adapté pour : Téléphones portables, ordinateurs portables, appareils photo numériques et autres l'électronique grand public.
« Elle a marqué le début de la commercialisation des batteries au lithium, mais ses limitations en matière de sécurité, de durée de vie et de coût la rendent totalement inadaptée aux applications industrielles de production d'énergie. »
Composition et caractéristiques des batteries au lithium à chimie LMO :
Symbole chimique : LiMn₂O₄ (OVM)
Caractéristiques principales : Faible coût, sécurité relativement bonne, excellentes performances en matière de taux de change.
Microstructure : Les ressources en manganèse sont abondantes, mais les ions manganèse se dissolvent facilement dans l'électrolyte, ce qui entraîne une durée de vie cyclique plus courte et une dégradation rapide des performances à haute température.
Mieux adapté pour :Véhicules électriques à basse vitesse, outils électriques et stockage d'énergie domestique économique. Souvent mélangé avec du NCM pour équilibrer coût et performance.
LiMn₂O₄ (LMO) offre une solution économique, mais sa durée de vie limitée peine à répondre aux exigences rigoureuses des équipements industriels lourds utilisés quotidiennement.
Courbe de décharge chimique LFP au lithium
D'autre part, cet avantage peut également se transformer en inconvénient, car, en raison de la courbe plate, la lecture uniquement des tensions compliquera la détermination d'un bon SOC (état de charge).
Pour éviter cette limitation, le BMS système de gestion de la batterie devra être conçu de manière intelligente pour fournir le bon état de charge et exécuter les fonctions d'équilibrage de la meilleure façon possible.
L'un des nombreux avantages de cette chimie est l'absence totale de cobalt, un matériau qui, comme nous l'avons déjà mentionné, est toxique, l'un des plus impactants pour l'environnement.
Merci beaucoup fabricants de batteries au lithium essaient actuellement de réduire le pourcentage de cobalt dans leurs batteries, donc la chimie LFP, étant sans cobalt, commence avec un gros avantage.
Bien qu'il y a seulement quelques années, Batteries LFP semblaient destinées à être oubliées, car leur densité d'énergie était très faible, à environ 100 Wh/Kg, aujourd'hui cette technologie
a littéralement resurgi de ses cendres avec une augmentation très significative de la densité d'énergie, atteignant 170 Wh/Kg en peu de temps, suscitant un fort intérêt de la part du monde automobile.
D'autres augmentations de la densité gravimétrique à 220/230 Wh/Kg sont déjà attendues dans les années à venir. C'est précisément pourquoi de nombreux constructeurs automobiles ont décidé de réintroduire la chimie LFP pour l'électrification de leurs véhicules, en premier lieu Tesla qui l'utilise actuellement. dans sa « gamme standard »
véhicules car il garantit un meilleur niveau de sécurité, à un coût légèrement inférieur à celui Chimie NMC utilisé pour les véhicules à hautes performances. Comme Tesla, Donc, BYD, Volkswagen et de nombreux autres grands constructeurs automobiles voient maintenant un grand potentiel dans la chimie LFP.
Composition et caractéristiques des batteries au lithium à chimie NMC :
Nickel – Manganèse – Cobalt (LiNixMnyCozO2)
A ce jour, les batteries à chimie NMC restent les plus utilisées dans le secteur automobile.
Avec cette chimie, une énergie spécifique très élevée allant jusqu'à 220 – 240 Wh/kg peut être atteint. Il s'agit clairement d'un avantage concurrentiel décisif pour une voiture, car il permet de stocker une grande quantité d'énergie avec un poids et un volume réduits,
permettant d'installer plus d'énergie dans le véhicule que les autres technologies à base de lithium.
Il existe différents types de chimie NMC :
CMN 111 (Nickel 33.3% – Manganèse 33.3% – Cobalt 33.3%)
CMN 622 (Nickel 60% – Manganèse 20% – Cobalt 20%)
CMN 811 (Nickel 80% – Manganèse 10% – Cobalt 10%)
Composition et caractéristiques des batteries au lithium avec chimie NCA :
Nickel – Cobalt – Aluminium (LiNiCoAIO2)
Les batteries à chimie NCA sont également utilisées dans le secteur automobile aux côtés des batteries NMC. Leur indice de sécurité est légèrement inférieur à celui des NMC, mais en même temps, ils ont une densité énergétique très élevée, atteignant 250-300 Wh/Kg. Le NCA La structure cellulaire est très similaire à celle du NMC 811, avec une forte teneur en nickel et une faible teneur en cobalt et en aluminium. En raison de leur grande capacité de stockage d'énergie, les batteries au lithium NCA sont souvent utilisées dans des mélanges avec des produits chimiques NMC pour obtenir un compromis entre densité d'énergie, sécurité et stabilité.
Composition et caractéristiques des batteries au lithium avec chimie LTO
Titanate de lithium (Li4Ti5O12)
C'est une chimie encore peu évoquée, mais qui semble très prometteuse en termes de cycles de vie, car ses faibles tensions internes et son absence de contraintes mécaniques lui permettent de se dégrader très peu, atteignant facilement 15,000 20,000 à XNUMX XNUMX utilisations de ces cycles. Avantage particulier, il pourrait être utilisé pour l'électrification des voitures et véhicules soumis à un usage très intensif, mais à l'heure actuelle il comporte encore quelques problèmes qui limitent son utilisation et sa diffusion.
Ses points faibles sont au nombre de 2 :
La faible densité d'énergie (177Wh/l) et la densité gravimétrique (60-70 Wh/Kg) ainsi qu'une tension nominale inférieure de 2.4 V ou 2.8 V : cela signifie qu'il faudra plus de cellules en série pour atteindre la tension de batterie souhaitée .
Son coût actuellement très élevé qui se reflète dans le faible nombre de fabricants mondiaux de cellules LTO, probablement en raison des faibles volumes actuels demandés par le marché
Ses avantages, d'autre part, incluent non seulement sa longue durée de vie, mais aussi sa large plage de température, et son excellente susceptibilité aux charges et décharges à haute puissance, c'est-à-dire un C-Rate élevé (rapport du courant à la capacité nominale).
L'utilisation idéale de la technologie LTO concerne les applications lourdes telles que les AGV (véhicules à guidage automatique) : imaginez des flottes de chariots élévateurs autonomes fonctionnant 24h/7 et XNUMXj/XNUMX, qui profitent également d'une charge rapide pour réduire les temps d'arrêt et, par conséquent, augmenter l'efficacité de l'usine.
De la théorie à la pratique : Utiliser la bonne chimie du lithium pour chaque application
Nous avons décrit les 6 principaux types de chimie à base de lithium les plus utilisés actuellement dans les différents domaines de l'électrification. Mais il ne faut pas penser que ces chimies sont en concurrence les unes avec les autres, bien au contraire ! Ils sont tous précieux et très performants, mais chaque produit chimique au lithium fonctionne mieux dans différents domaines d'utilisation.
Ce schéma présente une comparaison des différentes caractéristiques des chimies en termes de :
● Énergie spécifique ou densité gravimétrique [Wh/Kg] : c'est le rapport entre la quantité d'énergie contenue (Wh = V x Ah) et le poids de la batterie.
● Sécurité : qui est étroitement liée à la stabilité thermique car la sécurité intrinsèque dépend beaucoup de la stabilité thermique des composants
● C- Rate : taux de charge/décharge, c'est-à-dire le rapport entre le courant de charge ou de décharge (A) et la capacité nominale de la cellule (Ah). Il s'agit d'un paramètre étroitement lié à la capacité de la cellule à générer de l'énergie.
● Cycle de vie : Nombre de fois que la cellule peut être déchargée et chargée jusqu'à ce que la fin de vie soit atteinte, normalement considérée lorsque 80 % de la capacité résiduelle est atteinte.
● Coût
Batteries LFP et LTO pour le secteur industriel
Dans l'industrie, l'agriculture, ou même pour l'électrification de véhicules spéciaux, surtout s'il s'agit d'applications fortement cycliques qui sollicitent la batterie, il est préférable d'utiliser des chimies telles que LFP et LTO, où la durée de vie, la fiabilité et la sécurité sont les maîtres mots. exigences les plus importantes.
Dans le monde industriel, la question de l'espace est donc moins contraignante, tout comme il n'est pas indispensable d'avoir des performances ou une densité énergétique excessives. Lors de l'évaluation du choix de la bonne chimie, le facteur le plus important de la sécurité entre donc en jeu, un aspect sur lequel peu de gens veulent et peuvent faire des compromis.
Il est préférable d'avoir une batterie un peu plus volumineuse, mais offrant une sécurité optimale et ayant une durée de vie nettement plus longue. Certains véhicules, tels que les VLG et les AGV, doivent être utilisés de manière intensive et fonctionnent sans cesse 3 heures sur 4. Par conséquent, leurs batteries effectueront même 4,000 ou XNUMX cycles de charge en une seule journée. La chimie LFP les épaulera donc facilement avec ses plus de XNUMX XNUMX cycles de recharge. Si des batteries pour le stockage stationnaire sont nécessaires, alors la densité d'énergie ne signifierait presque rien et, au contraire, le coût et les cycles de vie des batteries seraient les éléments qui sous-tendent le choix de la chimie. La chimie LFP trouverait alors sa place.