Développement des matériaux pour batteries au lithium en Chine et quatre tendances
Au cours des dix dernières années, la Chine a fait de grands progrès dans le développement du lithium. matériaux pour batteriesLe développement futur des batteries au lithium se concentrera sur l'amélioration des matériaux des batteries et sur la mise à niveau et l'amélioration continue des matériaux des batteries. Le développement futur des batteries au lithium se concentrera sur l'avancement des matériaux de batterie et sur l'amélioration et l'itération continue des matériaux de batterie.
En tant que matériau de base de la chaîne industrielle des piles au lithium, la localisation de ces matériaux et les progrès technologiques continus sont d'une grande importance pour que la technologie chinoise des piles au lithium soit à l'avant-garde dans le monde.
Table des matières
Les matériaux et les technologies des batteries au lithium se développent rapidement en Chine
Le lithium est l'élément métallique ayant le plus petit poids atomique dans le tableau périodique des éléments chimiques. C'est également le métal ayant la plus petite densité, le plus petit équivalent électrochimique et le potentiel d'électrode le plus bas. Les piles au lithium sont devenues la norme aujourd'hui, avec les avantages suivants :
● Énergie spécifique élevée. En termes d'énergie spécifique de masse et d'énergie spécifique de volume, les batteries au lithium sont plus de trois fois supérieures aux batteries au plomb.
● Longue durée de vie. En général, le nombre de cycles des batteries au plomb-acide est d'environ 400 à 600 fois, ce qui est inférieur à celui des batteries au lithium.
● Large gamme de puissance de charge. Il peut être chargé rapidement à 1~3C, et l'efficacité de la charge est supérieure à 85%, ce qui sera encore amélioré avec les progrès continus de la technologie de contrôle électrique ;
● Performance de décharge à haut débit. Le taux de décharge des batteries au lithium est plus élevé que celui des batteries au plomb. Les piles au lithium ordinaires peuvent atteindre un taux de décharge de 2-3C, et il existe des piles au lithium avec des capacités de décharge à taux élevé.
La Chine a également élaboré un plan scientifique et technologique global pour le développement des piles au lithium et a publié une série de politiques visant à jeter de bonnes bases pour le développement des piles au lithium. D'une manière générale, les sources technologiques mondiales des piles au lithium sont principalement le Japon, la Chine et la Corée du Sud, le Japon ayant un avantage en matière de brevets de recherche sur les matériaux des piles au lithium.
En ce qui concerne les matériaux des batteries au lithium, il est nécessaire d'augmenter les investissements dans les matériaux de batteries à haute densité énergétique, à faible coût, plus sûrs et légers pendant un certain temps afin de mener des activités de recherche et développement et de recherche. Faire en sorte que la Chine franchisse le plus rapidement possible le cap de la technologie clé de fabrication des matériaux de batterie de l'ensemble de la chaîne industrielle des batteries au lithium, mettre en place une production à grande échelle et avoir continuellement de nouvelles itérations de matériaux de batterie et de nouvelles itérations technologiques.
Développement de plusieurs matériaux pour batteries au lithium
Matériaux de cathode à forte teneur en nickel
Dans les matériaux des piles, le système ternaire matériaux de cathode sont divisés en nickel-cobalt-aluminate-lithium (NCA) et nickel-cobalt-lithium-manganate (NCM). À mesure que la teneur en nickel augmente, la capacité de la batterie du matériau cathodique ternaire s'accroît, tandis que la performance du cycle se détériore. L'avantage du matériau cathodique à forte teneur en nickel est qu'il a une capacité spécifique élevée et qu'il constitue un excellent choix pour les piles électriques. Bien que la teneur élevée en nickel présente l'avantage d'une capacité spécifique élevée, elle conduit souvent à une mauvaise performance cyclique en raison de changements structurels et de surface. En conséquence, les principaux problèmes des matériaux cathodiques à forte teneur en nickel sont les suivants :
● Difficile de synthétiser des matériaux avec un rapport stœchiométrique ; ● Haute teneur en alcali total, facile à réagir avec le CO2 et l'humidité de l'air ; ● Stabilité thermique et sécurité médiocres.
Il est donc nécessaire de mener des recherches sur la technologie de modification des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel afin d'améliorer leurs performances. Le processus de production des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel comprend les étapes suivantes : mélange de lithiation, mise en pot, calcination, concassage, classement, élimination des impuretés, emballage, etc. La différence avec les matériaux ternaires ordinaires réside principalement dans le fait que les exigences en matière de matières premières sont élevées, que le processus est plus compliqué et que la préparation est difficile, de sorte que le coût est relativement plus élevé.
Bien qu'il y ait eu un développement au cours des deux dernières années, la part de marché globale des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel n'est pas importante, la capacité de production à haute teneur en nickel est libérée, le marché fait progressivement progresser l'application des matériaux ternaires à haute teneur en nickel, et sa technologie s'améliore également en permanence.
Électrolyte solide
Parmi les matériaux des batteries au lithium, l'électrolyte solide au lieu de l'électrolyte liquide est considéré comme un moyen important de résoudre le problème de sécurité des batteries au lithium-ion en tant que source d'énergie. Les batteries lithium-ion utilisent généralement des électrolytes organiques inflammables. Lorsqu'elles sont utilisées comme batteries électriques, la surcharge ou les collisions accidentelles peuvent provoquer un incendie de l'électrolyte et des accidents de sécurité. L'électrolyte liquide présente l'avantage de maximiser la surface de contact entre l'électrode et l'électrolyte afin de réduire l'impédance électrochimique.
Cependant, les électrolytes liquides présentent des inconvénients tels qu'une faible stabilité thermodynamique, une mauvaise conductivité Li+, une polarisation de la concentration, une plage de température de fonctionnement étroite, une facilité d'incendie et de fuite. En revanche, les avantages des électrolytes solides dans les matériaux de batterie sont une bonne sécurité, une bonne usinabilité, une structure de batterie simplifiée, une large plage de températures de fonctionnement, une bonne stabilité chimique et électrochimique, et une longue durée de vie. Cependant, les électrolytes solides sont également confrontés à des problèmes qui doivent être résolus : l'efficacité de conduction de la plupart des Li+ est très faible ; ils ne peuvent pas coexister de manière stable avec le lithium métallique.
L'impédance électrochimique est importante en raison de la surface de contact limitée entre l'électrolyte et les électrodes. Les électrolytes solides ne sont pas compatibles avec les matériaux de la cathode et de l'anode des batteries en termes de stabilité électrochimique et chimique. À l'heure actuelle, la recherche sur les électrolytes solides se poursuit, et les matériaux des électrolytes solides continueront à s'améliorer et à faire de nouvelles percées.
Matériaux d'anode en silicium
Commercial anode de batterie lithium-ion sont principalement constitués de graphite, mais la capacité spécifique de ce type de matériau de batterie est très faible, et les performances de charge et de décharge à haut débit sont médiocres. La capacité spécifique théorique du matériau d'anode en silicium simple est de 4 200 mA-h/g, soit plus de dix fois celle du graphite naturel ; la tension de fonctionnement n'est que de 0,3 V. Afin d'augmenter la capacité spécifique des batteries lithium-ion et de répondre aux besoins des batteries d'énergie, de nombreuses recherches ont été menées sur les matériaux d'anode de batterie au silicium. Les matériaux à base de silicium constituent actuellement un domaine de recherche important et sont considérés comme l'un des matériaux d'anode les plus prometteurs.
Cependant, les anodes à base de silicium ont une grande capacité et des changements de volume importants dans les matériaux des batteries. Actuellement, les additifs et autres moyens sont principalement utilisés pour améliorer la capacité en grammes, la stabilité du cycle et la capacité d'absorption des liquides du matériau d'anode. Actuellement, au cours du cycle de charge-décharge, le matériau d'anode en silicium subit une énorme variation de volume en raison de l'intercalation et de la délithiation du lithium, ce qui entraîne la pulvérisation et l'écaillage du matériau actif, réduisant ainsi les performances de l'électrode.
En développant des matériaux anodiques composites silicium-carbone, il est possible d'éviter efficacement la pulvérisation du silicium due à l'expansion excessive du volume pendant la charge et la décharge. En outre, le carbone utilisé comme revêtement des matériaux de batterie peut stabiliser efficacement l'interface entre le matériau d'électrode et l'électrolyte. Par conséquent, les composites silicium-carbone devraient remplacer le graphite en tant qu'anode pour les batteries lithium-ion à haute densité énergétique de la prochaine génération.
Classeur pour piles au lithium
Dans les matériaux pour batteries au lithium, le rôle du liant spécial pour batteries au lithium est de lier et de maintenir les matériaux actifs des électrodes, d'améliorer le contact électronique entre les matériaux actifs des électrodes et les agents conducteurs, les matériaux actifs et les collecteurs de courant, et de mieux stabiliser la structure des pièces polaires. Étant donné que le volume de la cathode et de l'anode de la batterie au lithium augmente ou diminue pendant la charge et la décharge, le liant doit jouer un certain rôle tampon.
Le film de revêtement contenant la matière active ne se détache pas du collecteur de courant et ne génère pas de fissures. Bien que la quantité de liant utilisée soit faible, ses performances ont une grande influence sur la production normale et les performances finales des batteries lithium-ion, et il s'agit d'un matériau auxiliaire très important dans l'industrie des batteries.
Les liants spéciaux pour batteries au lithium sont principalement divisés en deux catégories : les liants solubles dans l'huile, qui utilisent des solvants organiques comme dispersants, et les liants à base d'eau, qui utilisent de l'eau comme dispersants. La performance du liant affecte directement la performance de la batterie, de sorte qu'un liant approprié pour les batteries au lithium doit présenter une faible résistance et une performance stable dans l'électrolyte. Les liants jouent un rôle important dans l'amélioration de la performance du cycle des batteries, des capacités de charge et de décharge rapides et dans la réduction de la résistance interne des batteries.
Quatre grandes tendances dans le développement futur des matériaux pour batteries au lithium
Le progrès technique des batteries au lithium provient principalement de l'innovation et de la recherche sur les applications des matériaux clés des batteries, et la recherche et le développement se concentrent toujours sur les matériaux des batteries lithium-ion. Cela permettra de réaliser une nouvelle percée dans les performances de sécurité de la batterie. La tendance du développement des matériaux des batteries au lithium se reflète principalement dans les quatre aspects suivants :
● L'un est le matériau de la cathode, qui est principalement développé sur la base de matériaux ternaires à haute teneur en nickel, grâce auxquels les matériaux ternaires à haute teneur en nickel peuvent augmenter la densité énergétique tout en réduisant les coûts et en augmentant la stabilité.
● Le second est le matériau de l'anode. Les nouveaux matériaux d'anode à haute capacité représentés par les matériaux composites silicium-carbone constituent la tendance future du développement.
● Le troisième est l'électrolyte, qui vise principalement le problème de la mauvaise stabilité à haute température des électrolytes traditionnels, la recherche de nouveaux électrolytes, le développement progressif vers des électrolytes polymères, et enfin le développement vers des électrolytes entièrement solides. Dans le domaine des matériaux pour batteries, la recherche, le développement et l'application de matériaux à électrolyte solide seront d'une grande importance pour améliorer les performances des batteries au lithium, réduire les coûts de production et améliorer la stabilité et la sécurité.
● Le quatrième est une nouvelle génération de liant à base d'eau. D'autres recherches seront développées en direction de différents liants copolymères à base d'eau, en direction d'une nouvelle génération de liants copolymères multicomposants résistants aux hautes et basses températures, et en direction de propriétés anti-vieillissement plus excellentes. À l'avenir, la recherche sur les liants à base d'eau deviendra l'une des directions importantes pour la préparation des électrodes de batteries au lithium-ion dans les matériaux de batteries au lithium.
Développement des matériaux pour batteries au lithium en Chine et quatre tendances
Au cours des dix dernières années, la Chine a fait de grands progrès dans le développement du lithium. matériaux pour batteriesLe développement futur des batteries au lithium se concentrera sur l'amélioration des matériaux des batteries et sur la mise à niveau et l'amélioration continue des matériaux des batteries. Le développement futur des batteries au lithium se concentrera sur l'avancement des matériaux de batterie et sur l'amélioration et l'itération continue des matériaux de batterie.
En tant que matériau de base de la chaîne industrielle des piles au lithium, la localisation de ces matériaux et les progrès technologiques continus sont d'une grande importance pour que la technologie chinoise des piles au lithium soit à l'avant-garde dans le monde.
Les matériaux et les technologies des batteries au lithium se développent rapidement en Chine
Le lithium est l'élément métallique ayant le plus petit poids atomique dans le tableau périodique des éléments chimiques. C'est également le métal ayant la plus petite densité, le plus petit équivalent électrochimique et le potentiel d'électrode le plus bas. Les piles au lithium sont devenues la norme aujourd'hui, avec les avantages suivants :
● Énergie spécifique élevée. En termes d'énergie spécifique de masse et d'énergie spécifique de volume, les batteries au lithium sont plus de trois fois supérieures aux batteries au plomb.
● Longue durée de vie. En général, le nombre de cycles des batteries au plomb-acide est d'environ 400 à 600 fois, ce qui est inférieur à celui des batteries au lithium.
● Large gamme de puissance de charge. Il peut être chargé rapidement à 1~3C, et l'efficacité de la charge est supérieure à 85%, ce qui sera encore amélioré avec les progrès continus de la technologie de contrôle électrique ;
● Performance de décharge à haut débit. Le taux de décharge des batteries au lithium est plus élevé que celui des batteries au plomb. Les piles au lithium ordinaires peuvent atteindre un taux de décharge de 2-3C, et il existe des piles au lithium avec des capacités de décharge à taux élevé.
La Chine a également élaboré un plan scientifique et technologique global pour le développement des piles au lithium et a publié une série de politiques visant à jeter de bonnes bases pour le développement des piles au lithium. D'une manière générale, les sources technologiques mondiales des piles au lithium sont principalement le Japon, la Chine et la Corée du Sud, le Japon ayant un avantage en matière de brevets de recherche sur les matériaux des piles au lithium.
En ce qui concerne les matériaux des batteries au lithium, il est nécessaire d'augmenter les investissements dans les matériaux de batteries à haute densité énergétique, à faible coût, plus sûrs et légers pendant un certain temps afin de mener des activités de recherche et développement et de recherche. Faire en sorte que la Chine franchisse le plus rapidement possible le cap de la technologie clé de fabrication des matériaux de batterie de l'ensemble de la chaîne industrielle des batteries au lithium, mettre en place une production à grande échelle et avoir continuellement de nouvelles itérations de matériaux de batterie et de nouvelles itérations technologiques.
Développement de plusieurs matériaux pour batteries au lithium
Matériaux de cathode à forte teneur en nickel
Dans les matériaux des piles, le système ternaire matériaux de cathode sont divisés en nickel-cobalt-aluminate-lithium (NCA) et nickel-cobalt-lithium-manganate (NCM). À mesure que la teneur en nickel augmente, la capacité de la batterie du matériau cathodique ternaire s'accroît, tandis que la performance du cycle se détériore. L'avantage du matériau cathodique à forte teneur en nickel est qu'il a une capacité spécifique élevée et qu'il constitue un excellent choix pour les piles électriques. Bien que la teneur élevée en nickel présente l'avantage d'une capacité spécifique élevée, elle conduit souvent à une mauvaise performance cyclique en raison de changements structurels et de surface. En conséquence, les principaux problèmes des matériaux cathodiques à forte teneur en nickel sont les suivants :
● Difficile de synthétiser des matériaux avec un rapport stœchiométrique ;
● Haute teneur en alcali total, facile à réagir avec le CO2 et l'humidité de l'air ;
● Stabilité thermique et sécurité médiocres.
Il est donc nécessaire de mener des recherches sur la technologie de modification des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel afin d'améliorer leurs performances. Le processus de production des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel comprend les étapes suivantes : mélange de lithiation, mise en pot, calcination, concassage, classement, élimination des impuretés, emballage, etc. La différence avec les matériaux ternaires ordinaires réside principalement dans le fait que les exigences en matière de matières premières sont élevées, que le processus est plus compliqué et que la préparation est difficile, de sorte que le coût est relativement plus élevé.
Bien qu'il y ait eu un développement au cours des deux dernières années, la part de marché globale des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel n'est pas importante, la capacité de production à haute teneur en nickel est libérée, le marché fait progressivement progresser l'application des matériaux ternaires à haute teneur en nickel, et sa technologie s'améliore également en permanence.
Électrolyte solide
Parmi les matériaux des batteries au lithium, l'électrolyte solide au lieu de l'électrolyte liquide est considéré comme un moyen important de résoudre le problème de sécurité des batteries au lithium-ion en tant que source d'énergie. Les batteries lithium-ion utilisent généralement des électrolytes organiques inflammables. Lorsqu'elles sont utilisées comme batteries électriques, la surcharge ou les collisions accidentelles peuvent provoquer un incendie de l'électrolyte et des accidents de sécurité. L'électrolyte liquide présente l'avantage de maximiser la surface de contact entre l'électrode et l'électrolyte afin de réduire l'impédance électrochimique.
Cependant, les électrolytes liquides présentent des inconvénients tels qu'une faible stabilité thermodynamique, une mauvaise conductivité Li+, une polarisation de la concentration, une plage de température de fonctionnement étroite, une facilité d'incendie et de fuite. En revanche, les avantages des électrolytes solides dans les matériaux de batterie sont une bonne sécurité, une bonne usinabilité, une structure de batterie simplifiée, une large plage de températures de fonctionnement, une bonne stabilité chimique et électrochimique, et une longue durée de vie. Cependant, les électrolytes solides sont également confrontés à des problèmes qui doivent être résolus : l'efficacité de conduction de la plupart des Li+ est très faible ; ils ne peuvent pas coexister de manière stable avec le lithium métallique.
L'impédance électrochimique est importante en raison de la surface de contact limitée entre l'électrolyte et les électrodes. Les électrolytes solides ne sont pas compatibles avec les matériaux de la cathode et de l'anode des batteries en termes de stabilité électrochimique et chimique. À l'heure actuelle, la recherche sur les électrolytes solides se poursuit, et les matériaux des électrolytes solides continueront à s'améliorer et à faire de nouvelles percées.
Matériaux d'anode en silicium
Commercial anode de batterie lithium-ion sont principalement constitués de graphite, mais la capacité spécifique de ce type de matériau de batterie est très faible, et les performances de charge et de décharge à haut débit sont médiocres. La capacité spécifique théorique du matériau d'anode en silicium simple est de 4 200 mA-h/g, soit plus de dix fois celle du graphite naturel ; la tension de fonctionnement n'est que de 0,3 V. Afin d'augmenter la capacité spécifique des batteries lithium-ion et de répondre aux besoins des batteries d'énergie, de nombreuses recherches ont été menées sur les matériaux d'anode de batterie au silicium. Les matériaux à base de silicium constituent actuellement un domaine de recherche important et sont considérés comme l'un des matériaux d'anode les plus prometteurs.
Cependant, les anodes à base de silicium ont une grande capacité et des changements de volume importants dans les matériaux des batteries. Actuellement, les additifs et autres moyens sont principalement utilisés pour améliorer la capacité en grammes, la stabilité du cycle et la capacité d'absorption des liquides du matériau d'anode. Actuellement, au cours du cycle de charge-décharge, le matériau d'anode en silicium subit une énorme variation de volume en raison de l'intercalation et de la délithiation du lithium, ce qui entraîne la pulvérisation et l'écaillage du matériau actif, réduisant ainsi les performances de l'électrode.
En développant des matériaux anodiques composites silicium-carbone, il est possible d'éviter efficacement la pulvérisation du silicium due à l'expansion excessive du volume pendant la charge et la décharge. En outre, le carbone utilisé comme revêtement des matériaux de batterie peut stabiliser efficacement l'interface entre le matériau d'électrode et l'électrolyte. Par conséquent, les composites silicium-carbone devraient remplacer le graphite en tant qu'anode pour les batteries lithium-ion à haute densité énergétique de la prochaine génération.
Classeur pour piles au lithium
Dans les matériaux pour batteries au lithium, le rôle du liant spécial pour batteries au lithium est de lier et de maintenir les matériaux actifs des électrodes, d'améliorer le contact électronique entre les matériaux actifs des électrodes et les agents conducteurs, les matériaux actifs et les collecteurs de courant, et de mieux stabiliser la structure des pièces polaires. Étant donné que le volume de la cathode et de l'anode de la batterie au lithium augmente ou diminue pendant la charge et la décharge, le liant doit jouer un certain rôle tampon.
Le film de revêtement contenant la matière active ne se détache pas du collecteur de courant et ne génère pas de fissures. Bien que la quantité de liant utilisée soit faible, ses performances ont une grande influence sur la production normale et les performances finales des batteries lithium-ion, et il s'agit d'un matériau auxiliaire très important dans l'industrie des batteries.
Les liants spéciaux pour batteries au lithium sont principalement divisés en deux catégories : les liants solubles dans l'huile, qui utilisent des solvants organiques comme dispersants, et les liants à base d'eau, qui utilisent de l'eau comme dispersants. La performance du liant affecte directement la performance de la batterie, de sorte qu'un liant approprié pour les batteries au lithium doit présenter une faible résistance et une performance stable dans l'électrolyte. Les liants jouent un rôle important dans l'amélioration de la performance du cycle des batteries, des capacités de charge et de décharge rapides et dans la réduction de la résistance interne des batteries.
Quatre grandes tendances dans le développement futur des matériaux pour batteries au lithium
Le progrès technique des batteries au lithium provient principalement de l'innovation et de la recherche sur les applications des matériaux clés des batteries, et la recherche et le développement se concentrent toujours sur les matériaux des batteries lithium-ion. Cela permettra de réaliser une nouvelle percée dans les performances de sécurité de la batterie. La tendance du développement des matériaux des batteries au lithium se reflète principalement dans les quatre aspects suivants :
● L'un est le matériau de la cathode, qui est principalement développé sur la base de matériaux ternaires à haute teneur en nickel, grâce auxquels les matériaux ternaires à haute teneur en nickel peuvent augmenter la densité énergétique tout en réduisant les coûts et en augmentant la stabilité.
● Le second est le matériau de l'anode. Les nouveaux matériaux d'anode à haute capacité représentés par les matériaux composites silicium-carbone constituent la tendance future du développement.
● Le troisième est l'électrolyte, qui vise principalement le problème de la mauvaise stabilité à haute température des électrolytes traditionnels, la recherche de nouveaux électrolytes, le développement progressif vers des électrolytes polymères, et enfin le développement vers des électrolytes entièrement solides. Dans le domaine des matériaux pour batteries, la recherche, le développement et l'application de matériaux à électrolyte solide seront d'une grande importance pour améliorer les performances des batteries au lithium, réduire les coûts de production et améliorer la stabilité et la sécurité.
● Le quatrième est une nouvelle génération de liant à base d'eau. D'autres recherches seront développées en direction de différents liants copolymères à base d'eau, en direction d'une nouvelle génération de liants copolymères multicomposants résistants aux hautes et basses températures, et en direction de propriétés anti-vieillissement plus excellentes. À l'avenir, la recherche sur les liants à base d'eau deviendra l'une des directions importantes pour la préparation des électrodes de batteries au lithium-ion dans les matériaux de batteries au lithium.
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