À l'ère actuelle, axée sur l'énergie, les cellules de batterie au lithium, comme les composants centraux de diverses batteries au lithium, sont à l'avant-garde de l'innovation technologique. Du développement en plein essor des véhicules électriques à la popularité généralisée des appareils électroniques portables et au support critique des systèmes de stockage d'énergie pour la stabilité du réseau, les performances des cellules de batterie au lithium déterminent directement l'efficacité de l'ensemble du système de stockage et de conversion d'énergie. Ces dernières années, avec la demande mondiale d'énergie propre et la poursuite incessante du développement durable, la technologie des cellules de batterie au lithium a connu l'innovation explosive et les percées, apportant de nouveaux changements et opportunités aux applications énergétiques dans diverses industries.
Innovation matérielle: ouvrir la porte à l'amélioration des performances
Exploration diversifiée des matériaux d'électrode positive
Les matériaux d'électrodes positifs jouent un rôle crucial dans les cellules de batterie au lithium, et leurs caractéristiques déterminent en grande partie des indicateurs importants tels que la densité d'énergie, les performances de charge et de décharge et le cycle des cellules. Bien que les matériaux traditionnels de cathode à oxyde de cobalt au lithium ont une tension et une densité énergétiques de travail élevés et ont été largement utilisés dans les premiers produits électroniques grand public, leur application à grande échelle est limitée en raison de la rareté des ressources de cobalt, des prix élevés et de certains risques de sécurité. Ces dernières années, les matériaux ternaires (nickel cobalt manganèse oxyde lithium NCM, nickel cobalt aluminium oxyde lithium NCA) ont été largement utilisés dans le domaine des véhicules électriques en raison de leurs avantages à haute densité d'énergie. Par exemple, la densité d'énergie des matériaux ternaires nickel élevés (tels que NCM811) peut atteindre 200-300 WH \/ kg, ce qui est significativement amélioré par rapport à l'oxyde de cobalt au lithium et augmente considérablement la gamme de véhicules électriques. Dans le même temps, les matériaux de cathode de phosphate de fer au lithium (LFP) ont démontré une forte compétitivité dans les systèmes de stockage d'énergie et certains véhicules électriques avec des exigences de sécurité élevées en raison de leur excellente sécurité, de leur durée de vie à long cycle et de leur faible coût. Avec la progression continue de la technologie, la recherche sur la modification de nouveaux matériaux d'électrode positive tels que les matériaux à base de manganèse au lithium (LMO) et les matériaux à base de manganèse riche en lithium explorant également activement. Ces matériaux devraient améliorer encore les performances complètes des cellules de batterie au lithium à l'avenir et fournir des choix plus diversifiés pour différents scénarios d'application.
Le chemin du changement dans les matériaux d'électrode négatifs
Des matériaux d'électrode négatifs subissent également des changements profonds. Pendant longtemps, le graphite est le matériau grand public de l'électrode négative des batteries de lithium en raison de sa bonne conductivité, de son potentiel d'insertion de lithium faible et de ses réserves abondantes. Cependant, la capacité spécifique théorique du graphite est relativement faible (environ 372 mAh \/ g), ce qui rend difficile la demande de la demande croissante de densité d'énergie élevée. Pour surmonter cette limitation, les matériaux d'électrodes négatifs à base de silicium sont devenus un hotspot de recherche. La capacité spécifique théorique du silicium est aussi élevée que 4200mAh \/ g, ce qui est plus de dix fois celle du graphite. Si le problème de l'énorme expansion du volume pendant la charge et la décharge peut être résolu efficacement, il améliorera considérablement la densité énergétique des cellules de batterie au lithium. À l'heure actuelle, la stabilité du cycle et l'efficacité coulombique des matériaux d'électrode négative à base de silicium ont été considérablement améliorés par des moyens technologiques tels que la nanomatérialisation, la conception des matériaux composites et le composite avec d'autres matériaux (tels que les matériaux de carbone). Par exemple, certaines entreprises ont développé des matériaux d'électrodes négatifs composites en carbone en silicium qui ont été appliqués commercialement, améliorant la densité d'énergie des cellules de la batterie tout en assurant une bonne durée de vie du cycle. De plus, les matériaux d'électrode négatifs de titanate de lithium (LTO) ont progressivement émergé dans certains scénarios d'application qui nécessitent une durée de vie de sécurité et de cycle extrêmement élevée, tels que les centrales de stockage d'énergie, les alimentations auxiliaires des transits ferroviaires, etc., en raison de leurs excellentes performances de sécurité et de leur durée de vie à cycle ultra long.
Optimisation et mise à niveau de l'électrolyte
L'électrolyte, en tant que transporteur de transport d'ions dans les cellules de la batterie au lithium, a un impact significatif sur les performances de charge et de décharge, les caractéristiques des taux et la durée de vie du cycle des cellules. Les électrolytes traditionnels sont principalement composés de sels de lithium (comme le lithium hexafluorophosphate lipf ₆), les solvants organiques (comme les carbonates) et les additifs. Ces dernières années, afin de répondre aux besoins de développement des batteries à haute tension et à densité à haute énergie, l'optimisation et la mise à niveau des électrolytes se sont principalement concentrées sur l'amélioration des sels de lithium, le développement de nouveaux solvants et l'application innovante des additifs. En termes de sels de lithium, les chercheurs ont exploré divers nouveaux types de sels de lithium, tels que le lithium difluorosulfonyl imide (lifsi). Par rapport au Liff ₆, LIFSI a une conductivité plus élevée, une meilleure stabilité thermique et chimique, qui peut efficacement améliorer les performances à haute température et la durée de vie des batteries. En termes de solvants, l'introduction de nouveaux solvants avec des points d'ébullition élevés et des points de flash élevés, tels que les solvants sulfone, peut améliorer la sécurité et la stabilité à haute température des électrolytes. En même temps, en ajoutant des additifs avec différentes fonctions, tels que des additifs de formation de films, des additifs issus de la flamme, des additifs de protection contre les surcharges, etc., un film stable d'interface d'électrolyte solide (SEI) peut être formé sur la surface de l'électrode pour supprimer la survenue des réactions latérales et améliorer les performances de sécurité et de cyclisme de la batterie. Par exemple, l'ajout d'une petite quantité d'additifs issus de la flamme à l'électrolyte peut réduire considérablement le risque d'allumage et d'explosion de la batterie dans des conditions de température ou de surcharge élevées.
Innovation structurelle: améliorer les performances et la fiabilité
Innovation sous forme de cellule et forme d'emballage
La forme et la forme d'emballage des cellules de batterie au lithium ont un impact significatif sur leurs performances, leur utilisation de l'espace et leur adaptabilité aux scénarios d'application. Les formes communes des cellules de la batterie comprennent le pack cylindrique, carré et souple. Les cellules de la batterie cylindrique ont été largement utilisées dans les véhicules électriques précoces et les champs de stockage d'énergie en raison de leur processus de production standardisé, de bonnes performances de dissipation de chaleur et de la forte cohérence. Par exemple, les cellules de batterie cylindrique telles que 18650 et 21700 ont été largement utilisées dans les premiers modèles Tesla. Cependant, les cellules cylindriques ont un problème de faible utilisation de l'espace lorsqu'ils sont regroupés. Les cellules de la batterie carrée présentent des avantages dans l'utilisation de l'espace et peuvent mieux s'adapter à différentes conceptions de batteries, et ont été largement utilisées dans les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle et certains véhicules électriques. Ces dernières années, les cellules de batterie de pack souple ont émergé dans l'électronique grand public, les véhicules électriques haut de gamme et certaines applications qui nécessitent un espace et un poids stricts en raison de leurs caractéristiques de sécurité légères, personnalisables et élevées. Les cellules de batterie de pack souple sont emballées avec un film en aluminium en plastique, qui est plus léger par rapport à l'emballage de la coquille métallique, et moins sujet à l'explosion lorsqu'il est soumis à un impact externe, entraînant une sécurité plus élevée. Pendant ce temps, les cellules de batterie de pack souple peuvent être conçues sous différentes formes et tailles en fonction des différentes exigences d'application, améliorant considérablement l'utilisation de l'espace et la flexibilité de la conception des produits.
Optimisation et innovation de la structure interne
Une série d'optimisations innovantes a également été réalisée dans la structure interne des cellules de la batterie. Par exemple, afin d'améliorer la densité d'énergie et les performances de décharge de charge de la cellule de la batterie, une combinaison de matériau d'électrode positif à haut nickel et de matériau d'électrode négatif à base de silicium a été utilisée, et l'épaisseur du revêtement, la densité de compactage et la conception de la structure des électrodes de l'électrode ont été optimisées pour augmenter la proportion de matériau actif et réduire la résistance interne de la batterie. Dans le même temps, des améliorations ont été apportées à la sélection et à la conception de séparateurs, en utilisant des matériaux de séparateur de conductivité en ions plus fins et plus élevés, ce qui peut réduire l'épaisseur globale de la batterie, empêcher efficacement des courts-circuits positifs et négatifs, et améliorer la durée de vie et le cycle de la batterie. De plus, certaines nouvelles conceptions de structures internes des cellules de la batterie, telles que l'utilisation de structures laminées au lieu de structures d'enroulement traditionnelles, peuvent réduire la résistance et la polarisation à l'intérieur des cellules de la batterie, améliorer l'efficacité de charge et de décharge et la stabilité du cycle de la batterie. La structure laminée peut également rendre la distribution des contraintes à l'intérieur de la cellule de la batterie plus uniforme, réduire la dégradation des performances causée par la concentration de contrainte et ainsi améliorer la fiabilité globale de la batterie.
Innovation du processus de fabrication: vers l'efficacité, la précision et l'intelligence
Les processus de fabrication avancés améliorent l'efficacité et la qualité de la production
Le processus de fabrication des cellules de batterie au lithium a un impact décisif sur leurs performances et leur qualité. Ces dernières années, avec le développement de l'intelligence et de l'automatisation dans l'industrie manufacturière, des progrès significatifs ont été réalisés dans le processus de fabrication des cellules de batterie au lithium. Dans le processus de préparation de l'électrode, des techniques de revêtement avancées telles que le revêtement à fente et le revêtement de virgules sont adoptées, ce qui peut atteindre un contrôle d'épaisseur de revêtement plus précis et une vitesse de revêtement plus élevée, améliorer l'efficacité de la production et assurer l'uniformité et la cohérence du revêtement d'électrode, améliorant ainsi la stabilité des performances de la cellule de la batterie. L'application de l'équipement d'automatisation dans le processus d'enroulement ou de stratification a considérablement amélioré l'efficacité de la production et la qualité du produit. L'équipement d'enroulement de haute précision peut obtenir un enroulement serré et uniforme des pièces de poteau, réduire les lacunes à l'intérieur de la cellule de la batterie et améliorer la densité d'énergie; L'équipement d'empilement automatisé peut obtenir des opérations d'empilement à grande vitesse et à haute précision, en garantissant l'alignement et la cohérence de l'empilement et la réduction du risque de courte durée de batterie causée par un mauvais empilement. De plus, des technologies de soudage avancées telles que le soudage au laser et le soudage à ultrasons sont utilisées dans le processus d'assemblage et d'emballage des cellules de la batterie, qui peuvent réaliser une connexion ferme des composants métalliques, améliorer le scellement et la fiabilité de la batterie et réduire l'impact de la chaleur sur les matériaux internes des cellules de la batterie pendant le processus de soudage.
Construction d'un système de fabrication intelligente et de surveillance de la qualité
Pour répondre aux exigences strictes pour la qualité et la cohérence des produits dans la production à grande échelle, les entreprises de fabrication de cellules de batterie au lithium ont introduit une technologie de fabrication intelligente et construit un système de surveillance de la qualité du son. En déployant un grand nombre de capteurs et de dispositifs de détection intelligents sur la ligne de production, les données en temps réel sont collectées pendant le processus de production, telles que la température, la pression, le courant, la tension, l'épaisseur du revêtement, la taille des électrodes, etc., et ces données sont analysées et traitées en temps réel à l'aide de technologies telles que l'analyse des Big Data et l'intelligence artificielle. Une fois les situations anormales détectées pendant le processus de production, le système peut émettre des avertissements en temps opportun et ajuster automatiquement les paramètres de production ou arrêter la production pour éviter la production de produits défectueux. Dans le même temps, l'utilisation de systèmes de fabrication intelligents pour l'extraction profonde et l'analyse des données de production peuvent également obtenir une optimisation continue et une amélioration des processus de production, améliorer l'efficacité de la production et réduire les coûts de production. Par exemple, en analysant les données de charge et de décharge d'un grand nombre de cellules de batterie et d'établissement d'un modèle de prédiction de performance des cellules de la batterie, les cellules de batterie défectueuses potentielles peuvent être dépistées à l'avance, améliorant la qualité et la fiabilité globales du produit. De plus, les systèmes de fabrication intelligents peuvent également réaliser une traçabilité dans le processus de production. L'ensemble des informations de processus de chaque cellule de batterie, de l'approvisionnement en matières premières à la livraison du produit fini, est enregistré, ce qui facilite la retraite et le dépannage de problèmes de qualité.