5 différences entre les batteries ternaires et les batteries lithium-fer-phosphate

Les batteries ternaires sont des batteries lithium-ion ternaires. Elles utilisent du lithium-nickel-cobalt-manganèse (Li(NiCoMn)O2) comme matériau d'électrode positive. Les précurseurs de ces matériaux composites d'électrode positive ternaires sont fabriqués à partir de sels de nickel, de cobalt et de manganèse. Les proportions de nickel, de cobalt et de manganèse peuvent être ajustées selon les besoins. Comparées aux batteries lithium-oxyde de cobalt, celles utilisant des matériaux ternaires comme électrode positive offrent une sécurité accrue.

Les batteries ternaires au lithium conviennent aux batteries d'alimentation ou aux petites batteries, notamment celles de grande capacité. Aujourd'hui, les cellules ternaires ont remplacé les cellules lithium-oxyde de cobalt, autrefois largement utilisées, et sont largement utilisées dans les batteries d'ordinateurs portables.

Actuellement, les deux batteries lithium-ion les plus populaires sur le marché sont les batteries lithium-ion fer phosphate et les batteries lithium-ion ternaires. Dans ce contexte, laquelle est la meilleure : une batterie lithium-ion ternaire ou une batterie lithium-ion fer phosphate ? Examinons leurs forces et leurs faiblesses.

Batterie lithium fer phosphate :

Batteries au lithium fer phosphate Elles sont fabriquées à partir de matières premières, le phosphore et le fer, abondantes dans la croûte terrestre. Leur approvisionnement est donc moins restreint. Ces batteries offrent une tension modérée (3,2 V), une capacité massique élevée (170 mAh/g), une puissance de décharge élevée, une capacité de charge rapide et une longue durée de vie. Elles présentent également une meilleure stabilité à haute température et dans des conditions thermiques que les autres types de batteries. Comparées aux batteries ternaires au lithium et à l'oxyde de lithium-manganèse couramment utilisées, les batteries lithium-fer-phosphate présentent au moins cinq avantages majeurs : une sécurité accrue, une durée de vie prolongée, l'absence de métaux rares et de métaux lourds très polluants, la prise en charge de la charge rapide et une large plage de températures de fonctionnement.

Batterie au lithium ternaire :

Batteries lithium-ion polymères ternaires L'électrode positive est en oxyde de lithium-nickel-cobalt-manganèse (Li(NiCoMn)O2), et l'électrode négative en graphite, d'où le terme « batterie ternaire au lithium ». Si l'électrode négative est en titanate de lithium, on l'appelle généralement « titanate de lithium » et il ne fait pas partie des « matériaux ternaires ».

Les batteries lithium-ion ternaires présentent une densité énergétique élevée et de meilleures performances cycliques que les batteries au lithium classiques. Grâce aux améliorations constantes apportées à leur formulation et à leur structure, leur tension nominale atteint désormais 3,7 V et leur capacité atteint, voire dépasse, celle des batteries au lithium classiques.

Comparaison entre la batterie au lithium ternaire et la batterie au lithium fer phosphate

Laquelle est la plus sûre, la batterie au lithium ternaire ou la batterie au lithium fer phosphate ?

Haute température :

En termes de sécurité, les batteries lithium fer phosphate surpassent les batteries lithium ternaire. La principale raison réside dans leur meilleure résistance thermique, puisqu'elles peuvent supporter des températures supérieures à 800 degrés. Autrement dit, les batteries lithium fer phosphate ne s'enflamment généralement pas à moins d'atteindre des températures supérieures à 800 degrés.

En revanche, les batteries ternaires au lithium sont très différentes, leur température d'emballement thermique oscillant autour de 200 °C. Si l'on examine les incendies de véhicules à énergies nouvelles, la majorité d'entre eux concernent des batteries ternaires au lithium. Les batteries traditionnelles au lithium fer phosphate, soumises à des tests de perforation, produisent de la fumée, mais pas de flammes visibles, et leur température de surface atteint entre 200 °C et 400 °C. En revanche, les batteries ternaires au lithium atteignent plus de 500 °C immédiatement après avoir été perforées, puis commencent à brûler violemment. Par conséquent, dans les régions à températures élevées, le risque d'incendie est relativement plus élevé.

Basse température :

Les batteries au lithium s'affaiblissent considérablement à basse température. La limite basse température pour le lithium fer phosphate est généralement de -20 °C, tandis que la batterie lithium ternaire peut supporter des températures aussi basses que -30 °C. Entre 0 et -20 °C, les batteries au lithium se dégradent d'environ 10%-30%, mais la dégradation de la batterie lithium ternaire est généralement inférieure de 10% à celle du lithium fer phosphate. Actuellement, de nombreux constructeurs automobiles et producteurs de batteries développent des technologies avancées de gestion thermique pour améliorer les performances des batteries de puissance à basse température.

Densité énergétique : les batteries au lithium ternaire ont une densité énergétique plus élevée

La densité énergétique des batteries ternaires au lithium varie généralement de 180 à 230 Wh/kg, et celles à haute teneur en nickel peuvent facilement atteindre 250 Wh/kg. Cependant, une forte teneur en nickel peut accroître l'instabilité de la batterie. Les batteries lithium fer phosphate, quant à elles, ont une densité énergétique généralement comprise entre 140 et 160 Wh/kg, pouvant atteindre 180 Wh/kg au maximum. Les batteries Blade, un type de batterie lithium fer phosphate, ont une densité énergétique de 140 Wh/kg en première génération et potentiellement de 180 Wh/kg en deuxième génération.

Plus précisément, la densité énergétique des batteries peut être classée en deux catégories : la densité énergétique pondérale et la densité énergétique volumique. La première est généralement évoquée, tandis que la seconde reçoit moins d'attention, mais est tout aussi importante. Par exemple, grâce à des innovations structurelles, les batteries à pales ont vu leur densité énergétique volumique passer de 251 Wh/L à 320 Wh/L. Bien que leur densité énergétique pondérale ne soit pas élevée, leur autonomie est comparable à celle des batteries ternaires au lithium.

Durée de vie : les batteries au lithium fer phosphate ont une durée de vie plus longue

Les batteries plomb-acide longue durée ont une durée de vie d'environ 300 fois supérieure, atteignant au maximum 500 fois celle des batteries lithium-fer-phosphate. Leur durée de vie est supérieure à 2 000 fois supérieure. Pour un même poids, les batteries plomb-acide suivent généralement le schéma suivant : « neuf pendant six mois, ancien pendant six mois, puis entretien pendant six mois supplémentaires », soit un total d'environ 1 an à 1,5 an au maximum. À l'inverse, dans des conditions similaires, la durée de vie théorique des batteries lithium-fer-phosphate peut atteindre 7 à 8 ans.

Les batteries lithium-fer-phosphate durent généralement environ 8 ans. Utilisées dans les régions méridionales, leur durée de vie peut même dépasser 8 ans. Leur durée de vie théorique dépasse également 2 000 cycles de charge-décharge. Même chargées une fois par jour, elles peuvent durer plus de cinq ans. En usage domestique quotidien, avec une charge tous les trois jours, elles peuvent durer environ huit ans. Cependant, les batteries lithium-fer-phosphate étant peu performantes à basse température, leur durée de vie est relativement plus longue dans les régions méridionales.

La durée de vie des batteries lithium-fer-phosphate est d'environ 5 000 cycles. Chaque batterie produite possède son propre nombre de cycles de décharge (par exemple, mille). Au-delà de ce nombre, la batterie atteint sa fin de vie. Une décharge complète peut avoir un impact important sur l'utilisation de la batterie ; il est donc crucial d'éviter toute décharge excessive.

Les batteries lithium ternaire ont une durée de vie en cycles de charge-décharge d'environ 2 000 fois supérieure, tandis que les batteries lithium-fer-phosphate ont généralement une durée de vie de 3 000 fois supérieure, soit 1,5 fois supérieure. La durée de vie d'une batterie ne se mesure pas en années, mais en cycles de charge-décharge. Par exemple, après 2 000 cycles, la capacité de la batterie est inférieure à celle d'une batterie 20%. Cela signifie qu'après 2 000 cycles, la capacité restante de la batterie est équivalente à celle d'une batterie 80%, et qu'en cas d'utilisation prolongée, elle continuera à se dégrader progressivement.

Domaine d'application

Batterie ternaire au lithium : Grâce à leur densité énergétique élevée, leurs caractéristiques de sécurité stables, leurs excellentes caractéristiques électrochimiques (capacité à supporter des décharges rapides, par exemple) et leur rentabilité, les batteries ternaires au lithium sont largement utilisées dans les domaines des batteries lithium de petite taille, tels que l'électronique numérique grand public, les équipements industriels et les instruments médicaux. Elles présentent également un fort potentiel de développement dans les domaines des batteries lithium de puissance, comme les robots intelligents, les véhicules logistiques AGV, les drones et les véhicules à énergies nouvelles.

Batteries lithium fer phosphate : En termes d'utilisation, les batteries lithium fer phosphate conviennent aux situations où l'espace est important, où les conditions permettent l'utilisation de batteries de grand volume, où des performances de sécurité élevées sont requises et où de longues durées de fonctionnement ininterrompues sont nécessaires. Actuellement, les batteries lithium fer phosphate sont utilisées dans des domaines tels que les véhicules à énergies nouvelles, le stockage d'énergie, les stations de base 5G, les deux-roues, les poids lourds et les navires électriques.

Coût : Coût inférieur de la batterie lithium fer phosphate

Le matériau de la cathode des batteries au lithium représente 50% du coût total de la batterie. Le coût total des batteries lithium-fer-phosphate est inférieur de 20% à celui des batteries lithium-fer-phosphate ternaire. Par conséquent, les batteries lithium-fer-phosphate présentent un avantage certain en termes de coût.

Conclusion

Les principales différences entre la batterie au lithium fer phosphate et la batterie au lithium ternaire résident dans le coût, les performances à basse température, la résistance à la chaleur, la densité énergétique et la durée de vie.

1. Coût : Les batteries au lithium fer phosphate ne contiennent pas de métaux coûteux comme le cobalt, donc le coût des matières premières est inférieur, alors que l'inverse est vrai pour la batterie au lithium ternaire.
2. Performances à basse température : La température de fonctionnement maximale des batteries lithium-ion ternaire est de -30 °C, contre -20 °C pour les batteries lithium-fer-phosphate. De plus, dans les mêmes conditions de basse température, la dégradation des batteries lithium-fer-phosphate est plus importante.
3. Résistance à la chaleur : comme mentionné ci-dessus, la température d'emballement thermique du phosphate de fer lithium peut atteindre 800 degrés Celsius, tandis que la batterie au lithium ternaire n'atteint que 200 degrés Celsius, ce qui signifie que les batteries au phosphate de fer lithium offrent de meilleures performances en termes de résistance à la chaleur.
4. Densité énergétique : Les batteries ternaires au lithium ont une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent contenir davantage d'électrons sous le même volume. Par conséquent, à capacité égale, leur volume et leur poids seront plus faibles.
5. Durée de vie : Le cycle de charge-décharge des batteries lithium-fer-phosphate peut atteindre plus de 3 500 cycles, voire 5 000 pour certaines, tandis que celui des batteries lithium-fer-phosphate ternaire n'est que d'environ 2 500 cycles. Leur durée de vie est donc plus longue.

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