Débloquer les secrets des batteries au lithium ternaire

Dans le paysage en constante évolution du stockage d'énergie et des véhicules électriques, la batterie ternaire au lithium représente une innovation majeure. Ce type unique de batterie lithium-ion exploite les atouts combinés de trois métaux – nickel, cobalt et manganèse – dans son électrode positive. Ce mélange améliore non seulement les performances de la batterie, mais allie également sécurité, capacité et accessibilité. Dans un monde de plus en plus axé sur les solutions énergétiques durables et efficaces, comprendre les subtilités et le potentiel des batteries ternaires au lithium est plus important que jamais.

Grâce aux politiques écologiques, à la réglementation chinoise et aux limitations imposées aux voitures urbaines, les voitures à énergies nouvelles remplacent les anciennes voitures à essence. De plus en plus de voitures électriques font partie de notre quotidien. En juin 2019, on comptait environ 3,44 millions de voitures à énergies nouvelles en Chine. Cela signifie que la croissance du marché des voitures électriques est rapide. Les grandes marques automobiles multiplient les nouveaux modèles de voitures électriques. Elles en fabriquent davantage pour conquérir le marché. La batterie est un élément clé des voitures électriques. On y pense en premier lieu, car elle résout le principal problème des voitures : leur autonomie.

1. Comprendre la puissance des batteries ternaires au lithium

Commençons par les batteries de voiture. Les voitures à essence et les nouvelles voitures électriques utilisent des batteries différentes. Les voitures à essence sont équipées de batteries au plomb, ou batteries sans entretien. On les appelle batteries de voiture. Elles se chargent rapidement et démarrent les moteurs. Cependant, leur durée de vie est courte, environ 2 à 3 ans, et elles sont volumineuses. Elles ne conviennent pas aux voitures électriques à longue autonomie. La plupart des voitures électriques utilisent désormais une batterie au lithium ternaire.

Batteries ternaires au lithium Utilisez du nickel, du cobalt, du manganèse ou du nickel-cobalt-aluminium. Vous pouvez modifier le mélange de ces métaux. Ces batteries ont une énergie plus importante, supérieure à 200 Wh/kg. Leur tension est également plus élevée. Elles permettent aux voitures d'aller plus loin et plus vite. L'espace étant limité, ce type de batterie est idéal.

Prenons l'exemple de Tesla. Ils utilisent la batterie lithium ternaire 18650 de Panasonic. Après la production du Model 3, ils ont adopté une nouvelle batterie, la 21700. Le nom 18650 signifie qu'elle mesure 18 mm de large et 65 mm de long. La batterie 21700 a une énergie d'environ 300 Wh/kg, soit 201 TP3T de plus que l'ancienne batterie 18650.

2. Qu'est-ce qu'une batterie au lithium ternaire ?

Une batterie lithium ternaire est un type de batterie lithium-ion. Sa particularité réside dans l'utilisation d'un mélange de trois métaux – nickel, cobalt et manganèse – dans son électrode positive. Ce mélange spécial réunit les meilleures qualités de ces métaux. Il offre la fiabilité des cycles du cobaltate de lithium et la capacité impressionnante du nickelate de lithium, tout en associant la sécurité et l'accessibilité du manganate de lithium.

3. Comprendre les avantages des batteries ternaires au lithium

Haute densité énergétique

Les batteries ternaires au lithium se distinguent par leur densité énergétique la plus élevée. Elles peuvent ainsi stocker plus d'énergie dans un espace réduit. Par exemple, la Tesla Model Y utilise une batterie ternaire et peut parcourir jusqu'à 440 kilomètres avec une seule charge.

Tension de décharge élevée

La tension de décharge d'une batterie ternaire au lithium est d'environ 3,7 V, ce qui est supérieur aux 3,2 V des batteries LiFePO4 et aux 2,3 V des batteries au titanate de lithium. Une tension de décharge plus élevée permet à ces batteries de stocker davantage d'énergie, ce qui prolonge leur durée de vie pour un même volume et un même poids.

Cycle de vie plus long

En général, la durée de vie d’une batterie au lithium ternaire varie entre 800 et 1 000 utilisations.

Écologique et recyclable

Les batteries ternaires au lithium sont plus écologiques que les batteries plomb-acide. Leur rendement de recyclage est supérieur à 95%, ce qui en fait un choix plus écologique et moins impactant pour l'environnement.

4. Batteries ternaires au lithium : limites à connaître

Préoccupations en matière de sécurité

L'un des principaux inconvénients des batteries ternaires au lithium est leur sécurité. Leur structure est moins stable que celle des autres types de batteries, ce qui peut entraîner des problèmes de sécurité. Il existe un risque d'incendie, notamment en cas de choc ou d'exposition continue à des températures élevées.

Défis de résistance à la chaleur

Les batteries ternaires au lithium présentent également des difficultés de résistance à la chaleur. Elles sont plus sensibles aux dommages et aux dangers potentiels lorsqu'elles sont exposées à des températures élevées.

Durée de vie plus courte

Comparées aux batteries lithium-fer-phosphate, les batteries ternaires au lithium ont une durée de vie plus courte. Alors qu'une batterie LiFePO4 peut durer de 2 000 à 6 000 cycles, les batteries ternaires au lithium n'atteignent généralement qu'environ 800 à 1 000 cycles.

Limitations de la décharge à haute puissance

Une autre limite des batteries ternaires au lithium réside dans leurs performances en situation de décharge à haute puissance. Elles sont moins performantes pour gérer efficacement les fortes demandes de puissance.

Toxicité et risques liés aux températures élevées

Les éléments utilisés dans les batteries ternaires au lithium peuvent être toxiques et ces batteries sont sujettes à de fortes augmentations de température lors des cycles de charge et de décharge à haute puissance. La libération d'oxygène à haute température peut entraîner des risques de combustion.

5. Explication du cycle de vie d'une batterie au lithium ternaire

Que signifie la durée de vie du cycle des batteries au lithium ternaire ?

La durée de vie d'une batterie ternaire au lithium correspond à la durée pendant laquelle sa capacité chute à 70% de sa capacité initiale. Elle est testée dans des conditions spécifiques : à température ambiante (25 °C), à pression atmosphérique standard et avec un taux de décharge de 0,2 °C. Généralement, la durée de vie des batteries au lithium est mesurée par le nombre de cycles de charge et de décharge qu'elles peuvent supporter.

Comparaison de la durée de vie des différentes batteries

Une batterie ternaire au lithium a une durée de vie moyenne d'environ 800 cycles, ce qui est modéré par rapport aux autres types de batteries au lithium. Par exemple, les batteries au lithium fer phosphate peuvent durer entre 2 000 et 6 000 cycles, tandis que les batteries au lithium titanate peuvent atteindre 10 000 à 25 000 cycles.

Facteurs affectant la durée de vie du cycle

La durée de vie d'une batterie dépend également de plusieurs facteurs, tels que l'environnement d'utilisation, le taux de décharge et la stabilité de la batterie. La durée de vie maximale est généralement atteinte à une température ambiante de 25 °C. Des températures supérieures ou inférieures peuvent réduire la durée de vie de la batterie. Idéalement, un courant de décharge de 0,2 °C est idéal pour maximiser la durée de vie d'une batterie au lithium. Des niveaux de courant élevés peuvent endommager la structure interne de la batterie et réduire sa durée de vie.

6. L'avance de la Chine dans le domaine des batteries : CATL et BYD en pleine ascension

La Chine est leader dans le domaine des technologies de batteriesDes entreprises comme CATL et BYD sont des acteurs majeurs. Aujourd'hui, des constructeurs automobiles chinois comme GAC et Nio, ainsi que des marques mondiales comme Mercedes et Volkswagen, utilisent la batterie NCM811 de CATL. La NCM811 est un type de batterie au lithium ternaire. Cette batterie utilise du nickel, du cobalt et du manganèse. Le « 811 » indique le mélange : nickel 80%, cobalt 10%, manganèse 10%. « NCM » désigne ces métaux. Il existe d'autres batteries comme la NCM523 et la NCM622. Beaucoup utilisent la batterie NCM532. Mais la nouvelle CATL NCM811 a une énergie de 304 Wh/kg. Cela signifie que les voitures qui l'utilisent peuvent parcourir plus d'autonomie.

7. Le défi de la batterie : le plus grand obstacle des voitures électriques

Le principal problème des voitures électriques est la durée de vie de la batterie. En bref, la technologie des batteries doit être améliorée. Les batteries ternaires au lithium actuelles sont stables et robustes. Cependant, elles peuvent se charger et se décharger environ 2 000 fois. En cas d'utilisation intensive ou de charge insuffisante, elles s'usent plus rapidement. Lorsque la durée de vie d'une batterie est inférieure à 70%, elle est fichue. La seule solution est une nouvelle batterie.

La Chine a des règles à ce sujet. Les constructeurs automobiles doivent offrir une garantie de 8 ans ou 120 000 kilomètres sur les pièces essentielles comme les batteries. Que se passe-t-il ensuite ? En cas de dommage ou d'usure, les propriétaires paient pour le remplacement. Mais est-ce que cela en vaut la peine ? Une nouvelle batterie peut coûter plus cher que la valeur de la voiture. Les batteries sont l'élément le plus coûteux des voitures électriques.

Les voitures électriques neuves sont moins chères grâce aux subventions chinoises. Cependant, il n'existe pas de subvention pour une nouvelle batterie seule. Et les batteries sont coûteuses. Par exemple, la batterie de 60 kWh de BYD coûte environ 14 000 TP4T. La batterie de 70 kWh de Nio coûte le même prix. Le coût de Tesla est estimé à 141 TP4T par kWh. Ainsi, la batterie de 60 kWh de la Model 3 pourrait coûter environ 11 000 TP4T. Compte tenu d'une durée de vie de 5 à 10 ans, vaut-il la peine de remplacer la batterie après 5 ans ? C'est une grande question.

8. Protection de l'environnement : comment gérer les piles

Pourquoi promouvoir les voitures à énergie nouvelle ? Pour l'environnement. Mais les batteries peuvent aussi polluer. Qu'en est-il des vieilles batteries ? Il y en a beaucoup maintenant. En Chine, il existe un moyen de les gérer. En août 2018, la Chine a lancé un programme de recyclage des batteries. Elle souhaite que les entreprises collaborent. Tower Company est le principal acteur. C'est un leader en Chine. Tower Energy travaille avec de nombreux constructeurs automobiles. L'entreprise dispose de 2 075 points de recyclage répartis sur 31 sites. Son objectif est de réutiliser les batteries.

Comment gèrent-ils les vieilles batteries ? D'abord, ils les collectent et les contrôlent. Ensuite, ils les trient. Certaines batteries sont inutilisables. Ils les décomposent et en extraient des métaux. Ces batteries contiennent des substances nocives, comme du mercure, du plomb, du cuivre, etc. Les laisser à l'abandon est nocif pour la nature. Il faut donc être prudent. Si une batterie est encore en bon état, elle est réutilisée. Les batteries usagées, mais fonctionnelles, sont vendues à différentes entreprises. Elles peuvent être utilisées dans de gros camions électriques ou stockées pour produire de l'électricité. Elles sont utilisées par exemple dans les réseaux électriques, les barrages et les lampadaires solaires.

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