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Portuguese 3 innovations majeures en matière de batteries au lithium basse température
Table des matières
- 3 innovations majeures en matière de batteries au lithium basse température
Introduction aux besoins des batteries au lithium à basse température
Avec les progrès technologiques rapides, la demande de batteries au lithium basse et ultra-basse température devient de plus en plus critique dans les environnements difficiles tels que les plateaux d'altitude, les profondeurs océaniques, les régions polaires et les zones de froid extrême comme l'espace. Les batteries au lithium traditionnelles ne permettent pas le stockage et la restitution d'énergie dans ces conditions de température extrêmes.
La suppression progressive des subventions pour les véhicules à énergies nouvelles et la construction accélérée de stations de base de stockage 5G par les principaux opérateurs de télécommunications ont considérablement stimulé la demande de batteries lithium-ion basse température et économiques. En 2021, les installations de batteries électriques domestiques ont atteint 159,6 GWh. Cependant, dans les régions nordiques soumises à des conditions hivernales extrêmes, l'autonomie des véhicules à énergies nouvelles est fortement réduite. Par conséquent, le développement batteries au lithium basse température L'adaptation aux environnements froids est cruciale. Pour les stations de base 5G, les batteries lithium-fer-phosphate basse température ont acquis une reconnaissance industrielle grâce à leur avantage concurrentiel décisif, l'industrie passant inévitablement des batteries plomb-acide aux batteries lithium-fer-phosphate pour l'alimentation de secours des tours de transmission.
La température affecte les processus de transfert de masse et de charge dans les batteries lithium-ion pendant la charge et la décharge. À basse température, le ralentissement de la cinétique des ions lithium est le facteur le plus critique affectant leurs performances électrochimiques. La conductivité ionique de l'électrolyte diminue, ce qui complique la solvatation/désolvatation des ions lithium et réduit considérablement leur vitesse de migration dans le matériau actif de l'électrode et à l'interface solide-liquide. Ces facteurs entraînent une dégradation importante des performances de la batterie. De plus, la surface de l'anode est sujette au dépôt de lithium et à la croissance de dendrites, ce qui entraîne des défaillances et des risques pour la sécurité. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont amélioré les performances des batteries lithium à basse température en modifiant les matériaux de la cathode et de l'anode, en ajustant les composants de l'électrolyte et les structures des solvants, et en concevant des systèmes de gestion thermique de batterie (BTMS) performants, adaptés aux environnements difficiles à basse température.
État actuel de la recherche sur les batteries au lithium basse température
1.1 Modification des matériaux de la cathode
À basse température, les principales raisons de la diminution de la capacité des matériaux cathodiques sont une conductivité électronique plus faible, des taux de migration des ions lithium réduits et une cinétique d'intercalation/désintercalation des ions lithium plus lente qu'à température ambiante. L'amélioration significative des performances des ions lithium à basse température peut être obtenue en modifiant les matériaux cathodiques par des stratégies telles que le dopage ionique massif ou de surface pour améliorer le taux de migration des ions lithium ou la conductivité électronique, l'utilisation de nanomatériaux de carbone pour former des structures conductrices multidimensionnelles, la modification avec des conducteurs ioniques pour augmenter la conductivité électronique et ionique, et l'optimisation de la structure cristalline pour raccourcir la distance de diffusion interne des ions lithium et ainsi améliorer la cinétique d'intercalation et de désintercalation des ions lithium.
1.2 Modification des matériaux d'anode
À basse température, les matériaux d'anode subissent une diminution de la migration des ions lithium, ce qui rend la désolvatation des ions lithium plus difficile, augmente l'impédance de transfert électrochimique et diminue la capacité d'intercalation des ions lithium, ce qui entraîne une polarisation des électrodes. Le lithium non intercalé a tendance à se plaquer sur l'anode, ce qui aggrave la croissance des dendrites de lithium, l'épaississement du film SEI et le dessèchement de l'électrolyte, entraînant ainsi une diminution de la capacité et des performances cycliques de la batterie lithium-ion. Le graphite est principalement utilisé comme matériau d'anode, mais des matériaux à haut plateau de charge et à tension de coupure, comme le Li4Ti5O12 et le carbone dur, sont également utilisés pour éviter le dépôt de lithium à basse température. Les chercheurs améliorent principalement les performances à basse température des batteries lithium-ion par dopage, préparation d'électrodes nanocomposites (notamment ajout de matériaux nanocarbonés, de nanomatériaux à revêtement carbone et d'autres électrodes nanocomposites), modification d'électrodes en graphite et développement de nouveaux matériaux d'anode.
1.3 Composition de l'électrolyte et ajustement de la structure du solvant
L'électrolyte influence la mobilité des ions lithium et participe à la formation du film d'interface électrolyte solide (SEI), essentiel aux performances électrochimiques d'une batterie à basse température. La viscosité et le degré de solvatation influencent significativement la mobilité des ions lithium. Les électrolytes des batteries lithium basse température doivent présenter une conductivité ionique élevée et une faible viscosité, tout en conservant la stabilité nécessaire à basse température. Les carbonates cycliques comme le carbonate d'éthylène (EC) sont avantageux pour la formation d'une couche SEI stable, mais présentent une viscosité et des points de fusion plus élevés. L'ajout de carbonates, d'esters ou d'éthers linéaires à viscosité et points de fusion plus faibles, par cosolvant, permet de maintenir l'électrolyte à l'état liquide à basse température. Cependant, il est crucial d'équilibrer le point d'éclair réduit des électrolytes après l'ajout de carbonates linéaires à faible viscosité afin de garantir la stabilité thermique. Les électrolytes à forte concentration sont privilégiés malgré une conductivité ionique plus faible et une viscosité plus élevée, en raison de leur impédance de transfert de charge plus faible, de leurs meilleures performances et de leurs capacités améliorées à basse température.
2. Recherche et développement de nouveaux systèmes de batteries au lithium basse température
Bien que des progrès aient été réalisés dans les performances à basse température des batteries lithium-ion, les recherches innovantes sur de nouveaux systèmes de batteries lithium-ion basse température sont restées relativement rares. Les conducteurs superioniques, reconnus pour leur excellente conductivité ionique, peuvent améliorer efficacement le taux de migration des ions lithium, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour optimiser les performances à basse température des batteries lithium-ion.
En 2011, le groupe de recherche Kamaya, au Japon, a développé un nouveau type de matériau conducteur superionique à base de sulfure inorganique, le Li10GeP2S12, qui présente une conductivité ultra-élevée. Sa tension de décomposition dépasse 5 V et sa conductivité lithium-ion atteint 12 mS/cm à température ambiante (27 °C), rivalisant et même surpassant les électrolytes liquides organiques traditionnels. Fait remarquable, même à -40 °C, sa conductivité ionique peut atteindre 0,41 mS/cm, affichant la meilleure conductivité parmi les conducteurs superioniques, notamment à basse température où ses performances dépassent largement celles des électrolytes organiques.
