Aperçu

Les batteries au lithium sont désormais utilisées dans de nombreux domaines, et dans le passé, batteries au plomb, piles au cadmium, et des piles au nickel étaient utilisées dans ces domaines. Cet article présentera l'historique du développement des batteries lithium-ion et les connaissances associées sur la structure des batteries lithium-ion., destiné aux lecteurs intéressés ou ayant des besoins d'achat de batteries lithium-ion, pour les aider à faire des choix plus judicieux lors de l'achat de batteries.

1. L'histoire du développement des batteries lithium-ion

Au cours de la dernière décennie, Les batteries lithium-ion sont devenues le matériau chimique dominant pour les batteries rechargeables dans presque toutes les industries.. Par rapport aux matériaux chimiques auparavant populaires (batteries au plomb, piles au nickel-cadmium, et piles alcalines), les batteries lithium-ion sont supérieures à bien des égards. Le lithium est actuellement le matériau chimique ayant la densité énergétique la plus élevée utilisé, et avec quelques fonctions supplémentaires, il peut devenir le matériau chimique le plus sûr. L’énergie lithium est un domaine de recherche actif, c'est pourquoi de nouveaux matériaux chimiques sont développés chaque année.

Le concept de batteries lithium-ion a été proposé pour la première fois dans les années 1970., quand le chimiste britannique Stanley Whittingham a inventé une batterie capable de se recharger avec le temps. Il a tenté d'utiliser du disulfure de titane et du lithium métallique comme électrodes., mais cela a provoqué un court-circuit et une explosion de la batterie.
Les problèmes de sécurité des batteries au lithium métal ont conduit au développement des batteries lithium-ion.. Bien que les batteries au lithium métal aient une densité énergétique plus élevée, Les batteries lithium-ion sont très sûres lors de la charge et de la décharge en suivant des consignes de sécurité spécifiques.
Dans les années 1980, John Goodenough et Akira Yoshino ont approfondi leurs expériences pour rendre les batteries plus sûres. Le développement des batteries lithium-ion a ainsi commencé.

Dans les années 1990, la technologie lithium-ion a commencé à être favorisée et rapidement popularisée. À ce moment-là, Sony a produit le premier lot de batteries commerciales, marquant le début de la commercialisation des batteries lithium-ion. En même temps, le marché des appareils électroniques portables connaît une croissance rapide, nécessitant une batterie rechargeable légère pour l’alimenter. Batteries lithium-ion, comme batterie sûre et puissante, sont devenus le meilleur choix.

Au cours de la dernière décennie, Les batteries lithium-ion sont devenues le matériau chimique dominant pour les batteries rechargeables dans presque toutes les industries.. Par rapport aux matériaux chimiques auparavant populaires (batteries au plomb, piles au nickel-cadmium, et piles alcalines), les batteries lithium-ion sont supérieures à bien des égards. Le lithium est actuellement le matériau chimique ayant la densité énergétique la plus élevée utilisé, et avec quelques fonctions supplémentaires, il peut devenir le matériau chimique le plus sûr. L’énergie lithium est un domaine de recherche actif, c'est pourquoi de nouveaux matériaux chimiques sont développés chaque année.
Actuellement, le Les cinq plus grandes entreprises mondiales d'applications pour batteries lithium-ion sont:
CATL (Chine)
LG Chimie (Corée du Sud)
BYD (Chine)
Panasonic (Japon)
Samsung SDI (Corée du Sud)

2. Structure de la batterie lithium-ion

2.1 Qu'est-ce qu'un batterie lithium-ion

En termes simples, un batterie lithium-ion fait référence à une batterie avec une électrode négative (anode) et une électrode positive (cathode), où les ions lithium sont transportés entre les deux matériaux. Le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion est le même que celui de toute autre batterie rechargeable.

Pendant la décharge, les ions lithium se déplacent de l'anode vers la cathode et se déposent (intégrer) dans l'électrode positive composée de lithium et d'autres métaux. Lors du chargement, ce processus est le contraire.
Chaque batterie lithium-ion possède une plage de tension qui peut fonctionner en toute sécurité. L'autonomie dépend de la composition chimique de l'électrolyte utilisé dans la batterie. Par exemple, Les batteries LFP sont de 2,5 V à 0% état de charge (SOC) et 3,6 V à 100% SOC. Ceci est généralement considéré comme la plage de fonctionnement sûre des batteries LFP., tandis qu'en dessous de la plage spécifiée, une décharge excessive est considérée, et dépassant la limite spécifiée 100% Le SOC est considéré comme une surcharge.

2.2 structure de la batterie lithium-ion

2.2.1 Anode

L'anode est l'électrode négative d'une batterie. Dans les batteries lithium-ion, l'anode est généralement composée de lithium et de carbone (généralement de la poudre de graphite). La pureté, taille des particules, et la distribution uniforme des matériaux d'anode peuvent tous affecter leur capacité et leur taux de vieillissement.

2.2.2 Cathode

La cathode est l'électrode positive. C'est là que différents produits chimiques entrent en jeu. La cathode détermine les propriétés chimiques globales de l’énergie du lithium. Comme l'anode, le collecteur est combiné avec le matériau pour faciliter l'activité de réaction électronique. La principale différence entre eux réside dans la température à laquelle les différents produits chimiques réagissent avec les électrolytes. (emballement thermique) et l'ampleur de la tension qu'ils produisent.

2.2.3 Électrolytes

Les électrolytes permettent aux ions lithium de se transférer et de se déplacer entre les deux plaques. Généralement, il est composé de différents carbonates organiques, comme le carbonate d'éthylène et le carbonate de diéthyle. Les différents mélanges et ratios dépendent de l'environnement d'application de la batterie.
Par exemple, pour les applications à basse température, la viscosité de la solution électrolytique sera inférieure à celle de la solution électrolytique à température ambiante. Dans les piles au lithium, hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) est le sel de lithium le plus courant. On peut dire que l’électrolyte le plus utilisé dans les batteries lithium-ion est l’hexafluorophosphate de lithium. (LiPF6), dont la qualité détermine les performances de charge et de décharge, durée de vie, et sécurité des batteries lithium-ion.

Parce que LiPF6 a les meilleures performances globales globales, il a un excellent respect de l'environnement, passivation du collecteur de courant de l'électrode positive pour empêcher la corrosion de l'électrode, et lorsqu'il est mélangé avec de l'eau, il produit de l'acide fluorhydrique (HF), ce qui est propice à la formation d'un film SEI sur l'électrode négative.
SEI est une réaction chimique entre le lithium métallique et l'électrolyte, qui forme une couche d'électrolyte solide à la surface du lithium métallique. Il joue un rôle d'isolation et de protection entre le lithium métallique et l'électrolyte.
Dans des conditions normales, les fabricants de batteries chargent généralement lentement pour former un SEI uniforme sur l'anode en carbone.

2.2.4 Diaphragme

Le séparateur des batteries lithium-ion est un film plastique poreux qui facilite la prévention du contact direct entre l'anode et la cathode.. Ces films minces sont généralement 20 microns d'épaisseur avec de petits pores qui permettent aux ions lithium de passer pendant les processus de charge et de décharge. Une fois que la batterie dépasse la plage de température ou subit un court-circuit, ce séparateur fermera les pores et empêchera les ions lithium de passer à travers, arrêtant ainsi la réaction chimique.

3. Les avantages des batteries lithium-ion

3.1 Avantages de la structure de la batterie lithium-ion

1. Décharge à haut débit, capacité stable

2.Chargement rapide

Batteries lithium-ion – facturé dans 1 heure

Batteries au plomb – sur 9 heures

3.Faible encombrement et forte capacité de charge

4.Cycles multiples et longue durée de vie

Batteries lithium-ion – La durée de vie est généralement 5000 fois, et une décharge complète n'affecte pas la durée de vie

Batteries au plomb -300 à 500 fois, une décharge complète affectera leur durée de vie

5.Haute efficacité énergétique

Batteries lithium-ion -96% sortir, 4% perte de chaleur

Batteries au plomb -15% perte de chaleur à 85% sortir

6.Large gamme de tension de charge

Aucune compensation de tension requise

7.Réduire les coûts de gestion thermique

Batteries lithium-ion – circulation d'air acceptable

Batterie au plomb – nécessite la climatisation

8.Aucune émission de gaz

Batteries lithium-ion – fonctionnant dans des conteneurs scellés

Batteries au plomb – nécessitent une ventilation à l'hydrogène

9.Non toxique, aucune restriction de recyclage

Nouvelle énergie verte, utilisation sûre et sécurisée.

Pour plus de comparaison entre la batterie au lithium et la batterie au plomb, cliquez pour voir: Batterie au lithium vs. Batterie au plomb pour un contenu plus détaillé et spécifique.

3.2 La raison du choix de remplacer les batteries au plomb par des batteries lithium-ion

3.2.1 Améliorer l'efficacité

Grâce aux progrès du BMS et de la technologie de recharge, Les équipements d'alimentation par batterie lithium-ion peuvent contribuer à améliorer l'efficacité et à réduire les temps d'arrêt causés par la nécessité de charger un équipement alimenté par batterie..

3.2.2 Améliorer la productivité

Les opérateurs n'ont pas à s'inquiéter des problèmes de chargement des appareils, et la technologie des batteries lithium-ion permet aux entreprises d'investir dans des solutions d'automatisation, réduire les coûts pour les entreprises.

3.2.3 Une façon plus simple de charger et de stocker

Les batteries lithium-ion peuvent être chargées à tout moment, ce qui signifie que vous pouvez les recharger à votre convenance. Les batteries lithium-ion ne nécessitent pas non plus leur propre espace de chargement ou de stockage., car ils ne présentent pas de risques environnementaux comme les batteries au plomb.

3.2.4 Aucun entretien requis

Contrairement aux batteries au plomb, les batteries lithium-ion ne nécessitent pas d'inspections ni de méthodes de maintenance fastidieuses.

3.2.5 Améliorer la sécurité opérationnelle

Les batteries lithium-ion améliorent la sécurité opérationnelle des installations par divers moyens, et ils sont également plus respectueux de l'environnement en raison du risque moindre de surchauffe, explosion, ou émission de gaz ou de liquides nocifs.

4. Terminologie relative à la structure de la batterie lithium-ion

4.1 Charge équilibrée

Surcharger la batterie après un cycle de charge complet au-dessus de la tension normale. Cette étape est nécessaire pour aider à éliminer les sulfates accumulés et à équilibrer la tension de chaque batterie dans les batteries au plomb..

4.2 Dégradation de la batterie

Le processus de réduction de la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker. Température, tension de charge et de décharge, et la profondeur de charge et de décharge peut affecter la mesure dans laquelle la capacité de la batterie diminue au fil du temps..

4.3 Nombre de cycles de batterie

Si la batterie effectue une charge et une décharge sous forme de cycle, le nombre cumulé de charges et de décharges. Le cycle de la batterie comprend 100% décharge et charge.

4.4 Vie de la batterie

Combien de temps la batterie peut-elle être utilisée pendant sa durée de vie. La durée de vie est mesurée par le nombre de cycles complets de charge et de décharge.

4.5 Température de travail

La température acceptable de l'environnement dans lequel la batterie fonctionne. Si la température de fonctionnement dépasse la plage, la batterie peut tomber en panne.

4.6 Liste/Certification UL

La liste/certification UL signifie qu'UL a évalué des échantillons de produits pour garantir qu'ils répondent à des exigences spécifiques.. Cela comprend des échantillons de test couvrant la sécurité fonctionnelle et les cas d'utilisation de la structure de la batterie lithium-ion..

5. Pourquoi choisir les ions lithium- Analyse du point de vue de la structure de la batterie lithium-ion

5.1 Excellente qualité

La densité énergétique élevée et les cycles de décharge étendus des batteries lithium-ion sont les facteurs les plus importants, les rendant indispensables dans de nombreux appareils. Et ils sont également supérieurs à la chimie des batteries traditionnelles dans de nombreux autres aspects.. En plus de la haute densité énergétique des batteries, ils peuvent également se décharger à haute puissance et se charger rapidement. Cela leur donne une plus grande flexibilité opérationnelle que les batteries au plomb.
Dans les scénarios d'application où la puissance ou le temps de charge sont serrés, comme les systèmes solaires photovoltaïques, un fonctionnement continu dans des états partiellement chargés n'endommagera pas les batteries lithium-ion.

5.2 Respectueux de l'environnement

L'interaction entre les batteries lithium-ion et l'environnement est très douce. Aucun gaz nocif n'est émis pendant la charge, et la perte de chaleur est très faible. Cela signifie que les batteries lithium-ion peuvent être utilisées dans des espaces clos, complètement isolé des environs. Le recyclage et la réutilisation des piles usagées sont également très pratiques, car ils ne contiennent pas de substances toxiques telles que le cadmium, mercure, et diriger.

5.3 Plusieurs types de structures

Pendant la décharge, la charge se déplace à travers le circuit externe entre les électrodes de la batterie. Afin d'équilibrer le transfert de charge au sein de la batterie, les ions lithium chargés positivement se déplacent à travers un circuit électrolytique interne entre les électrodes positives et négatives. Lors du chargement, le processus est inversé, et les ions lithium reviennent à travers l'électrolyte.
Plusieurs types de produits chimiques peuvent être utilisés comme cathodes (cathode) fabriquer des matériaux d'électrode qui transportent des ions lithium. Les matériaux électrolytiques sont également une direction de recherche, et l'état des matériaux tels que les solides et les liquides est également un sujet de recherche. Il s’agit d’un domaine de recherche et développement très actif, qui stimule le développement des batteries lithium-ion dans de plus en plus d'applications commerciales.

Conclusion

Maintenant que vous avez compris tant d'analyses et de données, vous devriez avoir une certaine compréhension des batteries au lithium: leur histoire, avantages, et orientation du développement.
L'avenir des produits électriques est arrivé. La demande de transition des énergies traditionnelles vers les nouvelles énergies ne peut être ignorée. Alors que de plus en plus d’industries et d’entreprises réalisent les avantages de la technologie des batteries lithium-ion, prendre des décisions pour réorienter l'activité commerciale est devenu plus facile.

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FAQ

1. Les piles au lithium peuvent-elles remplacer les piles alcalines?

Bien que les batteries au lithium utilisent une technologie de batterie plus coûteuse, leur capacité à maintenir une haute tension en fait une excellente alternative aux piles alcalines.

2.Les batteries au lithium fuiront-elles?

Les piles au lithium ne fuient pas, ils peuvent donc être stockés en toute sécurité.
Le lithium peut prendre feu au contact de l’air ou de l’eau. Ils sont moins susceptibles de fuir car pour les électrolytes liquides, la technologie de traitement des gaz d’échappement est déjà très mature.

3.A quelle température les batteries lithium-ion explosent-elles?

Les batteries au lithium peuvent exploser 538 degrés Celsius.
Si une batterie au lithium est chauffée pendant une longue période, ça peut. Parce que les batteries lithium-ion ont une énergie très élevée, quand ils deviennent chauds, ils libèrent des solvants organiques qui agissent sur l'électrolyte; Cette chaleur peut les faire exploser.
Les courts-circuits qui se produisent lorsque les bornes de la batterie entrent en contact avec du métal peuvent également provoquer des explosions..