Batterie au lithium-ion à l'état solide - introduction et avenir
Table des matières
Aujourd'hui, les véhicules électriques se sont progressivement imposés sur le marché de l'automobile. Outre l'attention portée à l'intelligence du produit, à l'autonomie en kilométrage et aux capacités techniques, les consommateurs d'automobiles sont surtout préoccupés par la batterie des véhicules électriques. Après tout, la batterie est le cœur des véhicules électriques. C'est pourquoi les principaux fabricants investissent beaucoup dans la recherche et le développement de batteries, en particulier la technologie des batteries lithium-ion à l'état solide.
État du marché des batteries lithium-ion à l'état solide
Au cours des trois dernières années, avec l'expansion de la demande sur le marché des véhicules électriques, le secteur de l'électricité a connu une forte croissance. l'industrie des piles au lithiuma été dominée par les sociétés d'extraction de lithium en amont. Le prix du minerai de lithium a fortement augmenté, passant de moins de 40 000 RMB/tonne en 2020 à 570 000 RMB/tonne, devenant ainsi le "pétrole blanc" de l'ère des nouvelles énergies.
Au début de cette année, la capacité de production des mines de lithium, notamment en Australie, s'est accélérée, et l'industrie du recyclage des matériaux de batteries a ouvert de nouvelles perspectives en raison de l'augmentation des prix, et les ressources recyclées ont largement remplacé la demande de ressources d'origine.
Dans le même temps, après la montée en puissance des véhicules énergétiques, la demande en aval s'est quelque peu essoufflée. Sous le double coup de la demande et de l'offre, le minerai de lithium a également été durement touché, et son prix a chuté à 150 000 RMB/tonne en seulement trois mois.
Parallèlement à la baisse du prix du minerai de lithium, l'économie des batteries lithium-ion est à nouveau mise en évidence. Les batteries lithium-ion à l'état solide, qui ont été sous-estimées au cours des deux dernières années, sont de nouveau reconnues par les gens grâce au double avantage du marché et de la technologie.
Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion à l'état solide ?
Si les batteries lithium-ion sont classées en fonction de la forme de l'électrolyte, elles peuvent être divisées en batteries liquides et batteries à l'état solide en fonction de la quantité de liquide qu'elles contiennent, et les batteries à l'état solide peuvent être divisées en trois types : les batteries semi-solides, les batteries quasi-solides et les batteries entièrement à l'état solide.
L'électrolyte de la batterie liquide est composé de liquide, tandis que le pourcentage de masse d'électrolyte de la batterie semi-solide est <10%, le pourcentage de masse d'électrolyte de la batterie quasi-solide est <5%, et toutes les batteries solides ne contiennent pas d'électrolyte liquide.
Différences entre les batteries à l'état solide et les batteries à l'état liquide
La batterie à l'état solide et la batterie à l'état liquide se distinguent par les trois aspects suivants.
Densité énergétique
Les batteries à liquide sont sur le point d'atteindre le goulot d'étranglement de la densité énergétique, tandis que les batteries à l'état solide ont une limite supérieure. Selon les données statistiques, la densité énergétique des batteries au lithium-ion a été multipliée par trois entre 1991 et 2015, et le GAGR était d'environ 3%. Selon des calculs linéaires, la densité énergétique en 2020 et 2025 ne pourra atteindre que 300Wh/kg et 320Wh/kg.
Cependant, d'un point de vue technique pratique, en raison de l'activité extrêmement forte et de la faible stabilité de l'anode en lithium métal, il est extrêmement difficile de la rendre compatible avec l'électrolyte liquide. Ainsi, les avantages de son potentiel électrochimique le plus bas et de sa capacité extrêmement élevée ne peuvent être mis à profit, ce qui limite directement le développement de la densité énergétique de l'ensemble de la batterie.
En outre, il est difficile pour l'électrolyte de correspondre à la cathode à haute tension. La tension de l'électrolyte du courant principal ne dépasse pas 4,5 V, ce qui limite directement la gamme optionnelle de l'électrolyte. matériaux de cathode et limite ainsi le développement de la densité énergétique.
En d'autres termes, le taux de croissance de la densité énergétique des batteries lithium-ion a considérablement ralenti et se rapproche de la limite théorique. Sans mise à jour des matériaux, il est difficile de faire de nouvelles percées.
Les électrolytes solides résolvent bien ces problèmes. Par rapport à l'électrolyte liquide, l'électrolyte solide a des performances électrochimiques plus stables et peut être compatible avec une anode de lithium métal très active. En même temps, l'électrolyte solide peut inhiber la précipitation des dendrites de lithium, ce qui remplit les conditions nécessaires à l'application de l'anode de lithium métal.
Dans le même temps, certains électrolytes à l'état solide ont une plage de tension plus large, qui peut être adaptée aux matériaux de cathode à haute tension. Si l'on utilise une anode en lithium métal, la cathode peut théoriquement être fabriquée à partir de matériaux sans lithium, et la densité énergétique ainsi que l'espace de réduction des coûts devraient être grandement améliorés. La densité énergétique volumétrique devrait dépasser 100Wh/L.
Sécurité
Les piles liquides sont difficiles à résoudre en termes de sécurité, tandis que les piles à l'état solide empêchent fondamentalement l'apparition de problèmes.
L'électrolyte est le principal facteur d'accidents liés à la sécurité des batteries lithium-ion liquides. L'emballement thermique des batteries au lithium est principalement dû à un court-circuit interne ou à une température de fonctionnement élevée, ce qui entraîne une augmentation initiale de la température et la décomposition du film SEI. Dans le même temps, l'élévation continue de la température de l'électrolyte libère divers gaz combustibles et de l'oxygène, puis brûle.
À l'heure actuelle, l'industrie des batteries au lithium s'appuie principalement sur l'atténuation de l'emballement thermique pour traiter les accidents de sécurité, comme l'ajout de retardateurs de flamme ou de gaz inertes dans les cellules de la batterie, et l'ajout d'une conception anti-perforation ou de barrières thermiques à la surface de la batterie. Cependant, l'électrolyte à haut risque reste l'élément essentiel à l'origine des problèmes de sécurité de la batterie au lithium, et comme il s'agit d'un matériau nécessaire à la batterie au lithium, le problème de sécurité ne peut pas être résolu en théorie.
Par ailleurs, la température initiale d'emballement des électrolytes solides dépasse celle des électrolytes liquides (120°C), et les électrolytes solides à base d'oxyde sont les plus sûrs, avec des températures d'emballement thermique dépassant 600°C, ce qui élimine théoriquement les problèmes de sécurité tels que la combustion de la batterie.
Optimisation des processus
L'espace pour l'optimisation des processus des batteries liquides est beaucoup plus restreint que celui des batteries à l'état solide.
À l'heure actuelle, le processus de fabrication des batteries liquides dans le secteur des télécommunications comprend principalement la préparation des électrodes (principalement par voie humide), le bobinage et l'emballage, l'injection de liquide et la formation chimique, le triage et l'assemblage. Les technologies de mélange, d'enrobage et d'enroulement/empilage des boues à grande vitesse et la technologie des batteries à grande capacité favorisent l'expansion continue de la capacité de production à ligne unique.
Processus de fabrication d'une batterie à l'état solide
Toutefois, en raison de la faible efficacité de l'enrobage et du séchage, et de la nécessité d'arrêter le fil et d'insérer la pièce polaire dans le processus d'enroulement lors de la préparation de l'électrode humide, même la technologie 4680 améliorée de Tesla implique encore des processus de soudage au laser compliqués, de sorte qu'il reste un goulet d'étranglement important dans l'amélioration de l'efficacité de la fabrication de la batterie.
En outre, le processus traditionnel d'assemblage d'une MTC sous la forme d'une cellule, d'un module, d'un bloc-batterie et d'un corps utilise un grand nombre de composants et augmente la masse globale, tout en impliquant des connexions et des systèmes de gestion de la batterie complexes.
Les batteries à l'état solide peuvent utiliser la technologie des électrodes sèches, qui est une technologie de production sans solvant. La méthode consiste à mélanger les matériaux de la cathode et de l'anode avec un liant, puis à former directement une électrode en forme de feuille ou de film mince par calandrage, pulvérisation, extrusion ou dépôt en phase vapeur.
Par rapport à la préparation des électrodes par voie humide, les avantages de la technologie sèche sont principalement les suivants : ① Sauter les étapes de mélange des boues, de séchage et de récupération des solvants nocifs, ce qui permet d'économiser les coûts de production tels que les matériaux, le temps, les ateliers et la main d'œuvre. ② En termes de performances, l'électrode est plus épaisse et la densité énergétique est plus élevée. ③ Plus respectueux de l'environnement, sans solvant toxique.
En outre, dans le processus d'assemblage, la cellule de batterie à l'état solide avec une structure bipolaire multicouche peut être considérée comme un processus d'emballage. L'emballage dense connecté en série peut considérablement améliorer le taux d'utilisation de l'espace, réduire la résistance interne, augmenter la densité d'énergie et la sortie de courant. Dans le processus d'emballage ultérieur, il n'est pas nécessaire d'effectuer des connexions complexes, ce qui permet d'améliorer l'efficacité et de réduire les coûts après la production de masse.
L'optimisation des batteries à l'état solide
L'optimisation de la batterie à l'état solide peut être entreprise à partir des trois aspects suivants.
Électrolyte
À l'heure actuelle, il existe trois voies principales pour la sélection des matériaux d'électrolyte pour les piles à l'état solide, à savoir les polymères, les oxydes et les sulfures. Les trois systèmes techniques sont différents et chacun a ses propres avantages et inconvénients.
– Polymère : L'avantage du polymère en tant qu'électrolyte est qu'il est facile à traiter, compatible avec l'équipement de production existant et le processus de l'électrolyte liquide, et qu'il possède de bonnes propriétés mécaniques. Cependant, sa conductivité est trop faible, il doit être chauffé à 60°C pour fonctionner normalement, et il ne peut pas être adapté aux matériaux de cathode à haute tension.
– Sulfure : Il possède la conductivité la plus élevée et une grande stabilité électrochimique, ce qui en fait la voie technique la plus prometteuse. Mais le processus de préparation du sulfure est très complexe, et il réagit facilement avec l'eau et l'oxygène de l'air pour produire du sulfure d'hydrogène, un gaz hautement toxique.
– Oxyde : L'oxyde présente les avantages des deux précédents. Sa conductivité, sa stabilité et ses performances électrochimiques sont relativement bonnes, ce qui en fait la technologie qui évolue le plus rapidement à l'heure actuelle. En raison de son coût de développement et de sa difficulté relativement faibles, les fabricants chinois se concentrent sur les électrolytes solides à base d'oxyde, qui devraient s'étendre aux batteries à l'état semi-solide.
Dans une perspective à long terme, bien que la recherche et le développement des électrolytes solides sulfurés soient difficiles, leurs excellentes performances et leur grand potentiel attirent des entreprises de batteries puissantes et bien capitalisées qui investissent continuellement dans la recherche et le développement. De nombreux leaders de l'industrie ayant accumulé plus de dix ans d'expérience technologique choisissent cette technologie comme principale voie d'accès ; une fois qu'une percée est réalisée, il est très probable que des barrières techniques élevées se dressent.
Matériau de l'électrode
Les batteries à l'état solide pourraient s'en tenir au système d'anode existant, mais cela ne contribuerait guère à améliorer la densité énergétique. Si l'on veut augmenter considérablement la capacité, il faut appliquer l'anode de lithium métal de manière plus efficace.
L'anode en lithium métal présente l'avantage d'une densité énergétique élevée, qui est directement liée à la capacité de la batterie. Par conséquent, nous pouvons dire que l'entreprise qui maîtrise la technologie d'application de l'anode en métal de lithium sera en mesure d'obtenir le double avantage de la performance et du coût du produit, et d'occuper les positions stratégiques du marché.
Toutefois, à l'heure actuelle, l'anode de lithium métal doit résoudre le problème de la stabilité, et il existe un grand potentiel pour réduire le coût de la production de masse de l'anode de lithium métal.
Batterie semi-solide
Les batteries à semi-conducteurs doivent encore surmonter des difficultés techniques. Par exemple, la conductivité ionique des électrolytes solides est beaucoup plus faible que celle des électrolytes liquides, ce qui entraîne une augmentation significative de la résistance interne de la batterie, une mauvaise performance du cycle de la batterie et une mauvaise performance du taux. D'autre part, le coût élevé est également un facteur qui limite la commercialisation des piles à l'état solide. À l'heure actuelle, la chaîne industrielle des piles au lithium liquide est très mature, et des piles au lithium plus performantes peuvent être produites à faible coût, alors que la chaîne industrielle des piles à l'état solide n'est pas encore suffisamment mature. À l'heure actuelle, la batterie semi-solide est le meilleur choix en tant que compromis.
Le processus de fabrication et l'équipement de la batterie semi-solide sont très similaires à ceux de la batterie au lithium actuelle, seuls certains éléments clés du processus, tels que l'état solide in situ, le mélange et l'injection de liquide, sont différents de ceux de la batterie liquide actuelle. Cependant, la batterie à l'état semi-solide présente de nombreuses caractéristiques telles qu'une densité énergétique élevée, une petite taille, une plus grande sécurité et une meilleure flexibilité. Elle est devenue le premier choix de la prochaine technologie de batterie pour les constructeurs automobiles.
Dans le même temps, la batterie semi-solide est également considérée comme une voie de transition vers la batterie tout solide. Après tout, aucune nouvelle technologie ne peut être mise au point du jour au lendemain ; elles doivent toutes faire l'objet de recherches et d'un développement progressif.
État du développement mondial des batteries à l'état solide
Le passage progressif des batteries liquides aux batteries à l'état solide est une tendance importante dans l'évolution de la technologie des batteries au lithium. Au niveau mondial, les grands constructeurs automobiles, les fabricants de batteries, les organismes d'investissement et les instituts de recherche scientifique déploient activement des capitaux, des technologies et des talents pour accélérer l'industrialisation des batteries à l'état solide.
Les principaux constructeurs automobiles et les gouvernements du monde entier se lancent dans la course aux batteries à l'état solide. D'un point de vue mondial, cette course peut être divisée en trois camps : La Chine, le Japon et la Corée du Sud, l'Europe et les États-Unis.
En termes d'orientation technologique, le Japon et la Corée du Sud ont commencé le plus tôt et ont choisi la voie de l'électrolyte sulfuré à l'état solide. À l'heure actuelle, les entreprises japonaises et sud-coréennes détiennent le plus grand nombre de brevets de batteries à l'état solide au monde.
Le gouvernement sud-coréen a annoncé le 20 avril qu'il investirait conjointement 20 000 milliards de KRW avant 2030, sous l'égide du gouvernement et de ses principales entreprises de batteries, pour développer des technologies de batteries avancées, notamment des batteries à l'état solide, et lancer la production commerciale en 2025, afin de maintenir la force de la Corée du Sud dans le domaine des batteries d'énergie.
En Europe et aux États-Unis, la voie de l'électrolyte solide à base d'oxyde est principalement choisie pour le développement d'applications d'anodes de lithium métal. En Chine, les trois voies de l'électrolyte solide ont été tracées. Tout en développant des batteries à l'état solide, la Chine développe aussi vigoureusement des batteries à l'état semi-solide qui sont plus respectueuses des industries existantes.
Résumé
En remplaçant les électrolytes et les matériaux d'électrode, les piles à l'état solide améliorent la densité énergétique, la sécurité, l'optimisation des processus et la flexibilité, devenant ainsi la forme idéale des piles au lithium de la prochaine génération.
Jusqu'à présent, les trois électrolytes solides ont leurs propres avantages et inconvénients, et aucun d'entre eux n'est aussi performant qu'en théorie. En outre, l'absence de production à grande échelle a considérablement augmenté le coût des batteries à électrolyte solide.
Mais avec le temps et les avancées technologiques, nous pouvons penser que les piles à l'état solide se répandront progressivement et remplaceront peu à peu les piles traditionnelles au lithium liquide dans divers domaines.
Batterie au lithium-ion à l'état solide - introduction et avenir
Aujourd'hui, les véhicules électriques se sont progressivement imposés sur le marché de l'automobile. Outre l'attention portée à l'intelligence du produit, à l'autonomie en kilométrage et aux capacités techniques, les consommateurs d'automobiles sont surtout préoccupés par la batterie des véhicules électriques. Après tout, la batterie est le cœur des véhicules électriques. C'est pourquoi les principaux fabricants investissent beaucoup dans la recherche et le développement de batteries, en particulier la technologie des batteries lithium-ion à l'état solide.
État du marché des batteries lithium-ion à l'état solide
Au cours des trois dernières années, avec l'expansion de la demande sur le marché des véhicules électriques, le secteur de l'électricité a connu une forte croissance. l'industrie des piles au lithium a été dominée par les sociétés d'extraction de lithium en amont. Le prix du minerai de lithium a fortement augmenté, passant de moins de 40 000 RMB/tonne en 2020 à 570 000 RMB/tonne, devenant ainsi le "pétrole blanc" de l'ère des nouvelles énergies.
Au début de cette année, la capacité de production des mines de lithium, notamment en Australie, s'est accélérée, et l'industrie du recyclage des matériaux de batteries a ouvert de nouvelles perspectives en raison de l'augmentation des prix, et les ressources recyclées ont largement remplacé la demande de ressources d'origine.
Dans le même temps, après la montée en puissance des véhicules énergétiques, la demande en aval s'est quelque peu essoufflée. Sous le double coup de la demande et de l'offre, le minerai de lithium a également été durement touché, et son prix a chuté à 150 000 RMB/tonne en seulement trois mois.
Parallèlement à la baisse du prix du minerai de lithium, l'économie des batteries lithium-ion est à nouveau mise en évidence. Les batteries lithium-ion à l'état solide, qui ont été sous-estimées au cours des deux dernières années, sont de nouveau reconnues par les gens grâce au double avantage du marché et de la technologie.
Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion à l'état solide ?
Si les batteries lithium-ion sont classées en fonction de la forme de l'électrolyte, elles peuvent être divisées en batteries liquides et batteries à l'état solide en fonction de la quantité de liquide qu'elles contiennent, et les batteries à l'état solide peuvent être divisées en trois types : les batteries semi-solides, les batteries quasi-solides et les batteries entièrement à l'état solide.
L'électrolyte de la batterie liquide est composé de liquide, tandis que le pourcentage de masse d'électrolyte de la batterie semi-solide est <10%, le pourcentage de masse d'électrolyte de la batterie quasi-solide est <5%, et toutes les batteries solides ne contiennent pas d'électrolyte liquide.
Différences entre les batteries à l'état solide et les batteries à l'état liquide
La batterie à l'état solide et la batterie à l'état liquide se distinguent par les trois aspects suivants.
Densité énergétique
Les batteries à liquide sont sur le point d'atteindre le goulot d'étranglement de la densité énergétique, tandis que les batteries à l'état solide ont une limite supérieure.
Selon les données statistiques, la densité énergétique des batteries au lithium-ion a été multipliée par trois entre 1991 et 2015, et le GAGR était d'environ 3%. Selon des calculs linéaires, la densité énergétique en 2020 et 2025 ne pourra atteindre que 300Wh/kg et 320Wh/kg.
Cependant, d'un point de vue technique pratique, en raison de l'activité extrêmement forte et de la faible stabilité de l'anode en lithium métal, il est extrêmement difficile de la rendre compatible avec l'électrolyte liquide. Ainsi, les avantages de son potentiel électrochimique le plus bas et de sa capacité extrêmement élevée ne peuvent être mis à profit, ce qui limite directement le développement de la densité énergétique de l'ensemble de la batterie.
En outre, il est difficile pour l'électrolyte de correspondre à la cathode à haute tension. La tension de l'électrolyte du courant principal ne dépasse pas 4,5 V, ce qui limite directement la gamme optionnelle de l'électrolyte. matériaux de cathode et limite ainsi le développement de la densité énergétique.
En d'autres termes, le taux de croissance de la densité énergétique des batteries lithium-ion a considérablement ralenti et se rapproche de la limite théorique. Sans mise à jour des matériaux, il est difficile de faire de nouvelles percées.
Les électrolytes solides résolvent bien ces problèmes. Par rapport à l'électrolyte liquide, l'électrolyte solide a des performances électrochimiques plus stables et peut être compatible avec une anode de lithium métal très active. En même temps, l'électrolyte solide peut inhiber la précipitation des dendrites de lithium, ce qui remplit les conditions nécessaires à l'application de l'anode de lithium métal.
Dans le même temps, certains électrolytes à l'état solide ont une plage de tension plus large, qui peut être adaptée aux matériaux de cathode à haute tension. Si l'on utilise une anode en lithium métal, la cathode peut théoriquement être fabriquée à partir de matériaux sans lithium, et la densité énergétique ainsi que l'espace de réduction des coûts devraient être grandement améliorés. La densité énergétique volumétrique devrait dépasser 100Wh/L.
Sécurité
Les piles liquides sont difficiles à résoudre en termes de sécurité, tandis que les piles à l'état solide empêchent fondamentalement l'apparition de problèmes.
L'électrolyte est le principal facteur d'accidents liés à la sécurité des batteries lithium-ion liquides. L'emballement thermique des batteries au lithium est principalement dû à un court-circuit interne ou à une température de fonctionnement élevée, ce qui entraîne une augmentation initiale de la température et la décomposition du film SEI. Dans le même temps, l'élévation continue de la température de l'électrolyte libère divers gaz combustibles et de l'oxygène, puis brûle.
À l'heure actuelle, l'industrie des batteries au lithium s'appuie principalement sur l'atténuation de l'emballement thermique pour traiter les accidents de sécurité, comme l'ajout de retardateurs de flamme ou de gaz inertes dans les cellules de la batterie, et l'ajout d'une conception anti-perforation ou de barrières thermiques à la surface de la batterie. Cependant, l'électrolyte à haut risque reste l'élément essentiel à l'origine des problèmes de sécurité de la batterie au lithium, et comme il s'agit d'un matériau nécessaire à la batterie au lithium, le problème de sécurité ne peut pas être résolu en théorie.
Par ailleurs, la température initiale d'emballement des électrolytes solides dépasse celle des électrolytes liquides (120°C), et les électrolytes solides à base d'oxyde sont les plus sûrs, avec des températures d'emballement thermique dépassant 600°C, ce qui élimine théoriquement les problèmes de sécurité tels que la combustion de la batterie.
Optimisation des processus
L'espace pour l'optimisation des processus des batteries liquides est beaucoup plus restreint que celui des batteries à l'état solide.
À l'heure actuelle, le processus de fabrication des batteries liquides dans le secteur des télécommunications comprend principalement la préparation des électrodes (principalement par voie humide), le bobinage et l'emballage, l'injection de liquide et la formation chimique, le triage et l'assemblage. Les technologies de mélange, d'enrobage et d'enroulement/empilage des boues à grande vitesse et la technologie des batteries à grande capacité favorisent l'expansion continue de la capacité de production à ligne unique.
Toutefois, en raison de la faible efficacité de l'enrobage et du séchage, et de la nécessité d'arrêter le fil et d'insérer la pièce polaire dans le processus d'enroulement lors de la préparation de l'électrode humide, même la technologie 4680 améliorée de Tesla implique encore des processus de soudage au laser compliqués, de sorte qu'il reste un goulet d'étranglement important dans l'amélioration de l'efficacité de la fabrication de la batterie.
En outre, le processus traditionnel d'assemblage d'une MTC sous la forme d'une cellule, d'un module, d'un bloc-batterie et d'un corps utilise un grand nombre de composants et augmente la masse globale, tout en impliquant des connexions et des systèmes de gestion de la batterie complexes.
Les batteries à l'état solide peuvent utiliser la technologie des électrodes sèches, qui est une technologie de production sans solvant. La méthode consiste à mélanger les matériaux de la cathode et de l'anode avec un liant, puis à former directement une électrode en forme de feuille ou de film mince par calandrage, pulvérisation, extrusion ou dépôt en phase vapeur.
Par rapport à la préparation des électrodes par voie humide, les avantages de la technologie sèche sont principalement les suivants :
① Sauter les étapes de mélange des boues, de séchage et de récupération des solvants nocifs, ce qui permet d'économiser les coûts de production tels que les matériaux, le temps, les ateliers et la main d'œuvre.
② En termes de performances, l'électrode est plus épaisse et la densité énergétique est plus élevée.
③ Plus respectueux de l'environnement, sans solvant toxique.
En outre, dans le processus d'assemblage, la cellule de batterie à l'état solide avec une structure bipolaire multicouche peut être considérée comme un processus d'emballage. L'emballage dense connecté en série peut considérablement améliorer le taux d'utilisation de l'espace, réduire la résistance interne, augmenter la densité d'énergie et la sortie de courant. Dans le processus d'emballage ultérieur, il n'est pas nécessaire d'effectuer des connexions complexes, ce qui permet d'améliorer l'efficacité et de réduire les coûts après la production de masse.
L'optimisation des batteries à l'état solide
L'optimisation de la batterie à l'état solide peut être entreprise à partir des trois aspects suivants.
Électrolyte
À l'heure actuelle, il existe trois voies principales pour la sélection des matériaux d'électrolyte pour les piles à l'état solide, à savoir les polymères, les oxydes et les sulfures. Les trois systèmes techniques sont différents et chacun a ses propres avantages et inconvénients.
– Polymère : L'avantage du polymère en tant qu'électrolyte est qu'il est facile à traiter, compatible avec l'équipement de production existant et le processus de l'électrolyte liquide, et qu'il possède de bonnes propriétés mécaniques. Cependant, sa conductivité est trop faible, il doit être chauffé à 60°C pour fonctionner normalement, et il ne peut pas être adapté aux matériaux de cathode à haute tension.
– Sulfure : Il possède la conductivité la plus élevée et une grande stabilité électrochimique, ce qui en fait la voie technique la plus prometteuse. Mais le processus de préparation du sulfure est très complexe, et il réagit facilement avec l'eau et l'oxygène de l'air pour produire du sulfure d'hydrogène, un gaz hautement toxique.
– Oxyde : L'oxyde présente les avantages des deux précédents. Sa conductivité, sa stabilité et ses performances électrochimiques sont relativement bonnes, ce qui en fait la technologie qui évolue le plus rapidement à l'heure actuelle. En raison de son coût de développement et de sa difficulté relativement faibles, les fabricants chinois se concentrent sur les électrolytes solides à base d'oxyde, qui devraient s'étendre aux batteries à l'état semi-solide.
Dans une perspective à long terme, bien que la recherche et le développement des électrolytes solides sulfurés soient difficiles, leurs excellentes performances et leur grand potentiel attirent des entreprises de batteries puissantes et bien capitalisées qui investissent continuellement dans la recherche et le développement. De nombreux leaders de l'industrie ayant accumulé plus de dix ans d'expérience technologique choisissent cette technologie comme principale voie d'accès ; une fois qu'une percée est réalisée, il est très probable que des barrières techniques élevées se dressent.
Matériau de l'électrode
Les batteries à l'état solide pourraient s'en tenir au système d'anode existant, mais cela ne contribuerait guère à améliorer la densité énergétique. Si l'on veut augmenter considérablement la capacité, il faut appliquer l'anode de lithium métal de manière plus efficace.
L'anode en lithium métal présente l'avantage d'une densité énergétique élevée, qui est directement liée à la capacité de la batterie. Par conséquent, nous pouvons dire que l'entreprise qui maîtrise la technologie d'application de l'anode en métal de lithium sera en mesure d'obtenir le double avantage de la performance et du coût du produit, et d'occuper les positions stratégiques du marché.
Toutefois, à l'heure actuelle, l'anode de lithium métal doit résoudre le problème de la stabilité, et il existe un grand potentiel pour réduire le coût de la production de masse de l'anode de lithium métal.
Batterie semi-solide
Les batteries à semi-conducteurs doivent encore surmonter des difficultés techniques. Par exemple, la conductivité ionique des électrolytes solides est beaucoup plus faible que celle des électrolytes liquides, ce qui entraîne une augmentation significative de la résistance interne de la batterie, une mauvaise performance du cycle de la batterie et une mauvaise performance du taux.
D'autre part, le coût élevé est également un facteur qui limite la commercialisation des piles à l'état solide. À l'heure actuelle, la chaîne industrielle des piles au lithium liquide est très mature, et des piles au lithium plus performantes peuvent être produites à faible coût, alors que la chaîne industrielle des piles à l'état solide n'est pas encore suffisamment mature. À l'heure actuelle, la batterie semi-solide est le meilleur choix en tant que compromis.
Le processus de fabrication et l'équipement de la batterie semi-solide sont très similaires à ceux de la batterie au lithium actuelle, seuls certains éléments clés du processus, tels que l'état solide in situ, le mélange et l'injection de liquide, sont différents de ceux de la batterie liquide actuelle. Cependant, la batterie à l'état semi-solide présente de nombreuses caractéristiques telles qu'une densité énergétique élevée, une petite taille, une plus grande sécurité et une meilleure flexibilité. Elle est devenue le premier choix de la prochaine technologie de batterie pour les constructeurs automobiles.
Dans le même temps, la batterie semi-solide est également considérée comme une voie de transition vers la batterie tout solide. Après tout, aucune nouvelle technologie ne peut être mise au point du jour au lendemain ; elles doivent toutes faire l'objet de recherches et d'un développement progressif.
État du développement mondial des batteries à l'état solide
Le passage progressif des batteries liquides aux batteries à l'état solide est une tendance importante dans l'évolution de la technologie des batteries au lithium. Au niveau mondial, les grands constructeurs automobiles, les fabricants de batteries, les organismes d'investissement et les instituts de recherche scientifique déploient activement des capitaux, des technologies et des talents pour accélérer l'industrialisation des batteries à l'état solide.
Les principaux constructeurs automobiles et les gouvernements du monde entier se lancent dans la course aux batteries à l'état solide. D'un point de vue mondial, cette course peut être divisée en trois camps : La Chine, le Japon et la Corée du Sud, l'Europe et les États-Unis.
En termes d'orientation technologique, le Japon et la Corée du Sud ont commencé le plus tôt et ont choisi la voie de l'électrolyte sulfuré à l'état solide. À l'heure actuelle, les entreprises japonaises et sud-coréennes détiennent le plus grand nombre de brevets de batteries à l'état solide au monde.
Le gouvernement sud-coréen a annoncé le 20 avril qu'il investirait conjointement 20 000 milliards de KRW avant 2030, sous l'égide du gouvernement et de ses principales entreprises de batteries, pour développer des technologies de batteries avancées, notamment des batteries à l'état solide, et lancer la production commerciale en 2025, afin de maintenir la force de la Corée du Sud dans le domaine des batteries d'énergie.
En Europe et aux États-Unis, la voie de l'électrolyte solide à base d'oxyde est principalement choisie pour le développement d'applications d'anodes de lithium métal. En Chine, les trois voies de l'électrolyte solide ont été tracées. Tout en développant des batteries à l'état solide, la Chine développe aussi vigoureusement des batteries à l'état semi-solide qui sont plus respectueuses des industries existantes.
Résumé
En remplaçant les électrolytes et les matériaux d'électrode, les piles à l'état solide améliorent la densité énergétique, la sécurité, l'optimisation des processus et la flexibilité, devenant ainsi la forme idéale des piles au lithium de la prochaine génération.
Jusqu'à présent, les trois électrolytes solides ont leurs propres avantages et inconvénients, et aucun d'entre eux n'est aussi performant qu'en théorie. En outre, l'absence de production à grande échelle a considérablement augmenté le coût des batteries à électrolyte solide.
Mais avec le temps et les avancées technologiques, nous pouvons penser que les piles à l'état solide se répandront progressivement et remplaceront peu à peu les piles traditionnelles au lithium liquide dans divers domaines.