Développement et structure des batteries au lithium

La batterie au lithium est un nouveau type de batterie à haute énergie développée avec succès au 20e siècle. Avec la proposition de « neutralité carbone » et de « pic carbone », la batterie au lithium est devenue le centre d'attention de tous les secteurs. Aujourd'hui, CHNL vous guidera pour comprendre le développement et la structure de la batterie au lithium.

Introduction aux batteries au lithium

Les batteries au lithium peuvent être comprises comme des batteries contenant des éléments lithium (y compris le lithium métallique, les alliages de lithium, les ions lithium, les polymères de lithium), et peuvent être divisées en batteries au lithium métal (très rarement produites et utilisées) et batteries lithium-ion (largement utilisées aujourd'hui). En raison de leur haute énergie spécifique, haute tension de batterie, large plage de température de fonctionnement et longue durée de stockage, elles sont largement utilisées dans les petits appareils électriques militaires et civils, tels que les téléphones portables, ordinateurs portables, caméscopes, appareils photo, etc., remplaçant partiellement les batteries traditionnelles.

L'origine et le développement des batteries au lithium

Dans les années 1970, M.S. Whittingham d'Exxon a utilisé le sulfure de titane comme matériau d'électrode positive et le lithium métallique comme matériau d'électrode négative pour fabriquer la première batterie au lithium.
En 1980, J. Goodenough a découvert que l'oxyde de cobalt lithium pouvait être utilisé comme matériau cathodique pour les batteries au lithium.

En 1982, R.R. Agarwal et J.R. Selman de l'Institut de technologie de l'Illinois ont découvert que les ions lithium ont la caractéristique de s'intercaler dans le graphite, et ce processus est rapide et réversible. En même temps, les risques de sécurité des batteries au lithium fabriquées avec du lithium métallique ont attiré beaucoup d'attention. Par conséquent, on a essayé d'utiliser les caractéristiques des ions lithium insérés dans le graphite pour fabriquer des batteries rechargeables. La première électrode graphite lithium-ion utilisable a été produite en essai avec succès aux laboratoires Bell.

En 1983, M. Thackeray, J. Goodenough et d'autres ont trouvé que le spinelle de manganèse est un excellent matériau cathodique, avec un prix bas, une stabilité et une excellente conductivité ainsi qu'une bonne conductivité lithium. Sa température de décomposition est élevée, et sa propriété oxydante est bien inférieure à celle de l'oxyde de cobalt lithium. Même en cas de court-circuit ou de surcharge, il peut éviter le danger d'incendie et d'explosion.
En 1991, Sony a lancé la première batterie au lithium commerciale. Par la suite, les batteries au lithium ont révolutionné le visage de l'électronique grand public.

En 1996, Padhi et Goodenough ont découvert que les phosphates à structure olivine, tels que le phosphate de fer lithium (LiFePO4), sont supérieurs aux matériaux cathodiques traditionnels, ils sont donc devenus les matériaux cathodiques dominants actuels.
Les batteries lithium-ion (Li-ion Batteries) sont développées à partir des batteries au lithium. Donc avant d'introduire les Li-ion, présentons d'abord les batteries au lithium. Par exemple, une pile bouton est une batterie au lithium. Le matériau de l'électrode positive de la batterie au lithium est le dioxyde de manganèse ou le chlorure de thionyle, et l'électrode négative est le lithium. Après assemblage, la batterie a une tension et n'a pas besoin d'être chargée. Ce type de batterie peut aussi être chargé, mais la performance cyclique n'est pas bonne. Pendant le cycle de charge et décharge, il est facile de former des dendrites de lithium, ce qui entraîne un court-circuit interne de la batterie, donc en général, ce type de batterie est interdit à la charge.

Plus tard, la société Sony du Japon a inventé une batterie au lithium avec un matériau carbone comme électrode négative et un composé contenant du lithium comme électrode positive. Pendant le processus de charge et décharge, il n'y a pas de lithium métallique, seulement des ions lithium. C'est une batterie lithium-ion.
Au début des années 1990, la société japonaise Sony Energy Development Corporation et la société canadienne Moli Energy Corporation ont développé avec succès de nouvelles batteries lithium-ion, qui non seulement ont de bonnes performances, mais ne polluent pas non plus l'environnement. Avec le développement rapide des technologies de l'information, des machines portables et des véhicules électriques, la demande de sources d'énergie à haute efficacité a rapidement augmenté, et les batteries au lithium sont devenues l'un des domaines à la croissance la plus rapide.

La structure de la batterie au lithium

Les principaux composants des batteries au lithium :
(1) Électrode positive - les matériaux actifs se réfèrent principalement à l'oxyde de cobalt lithium, manganate de lithium, phosphate de fer lithium, nickelate de lithium, manganate nickel cobalt lithium, etc. Le collecteur de courant conducteur utilise généralement une feuille d'aluminium d'une épaisseur de 10 à 20 microns ;
(2) Diaphragme - un film plastique spécial qui permet le passage des ions lithium, mais est un isolant électronique. Actuellement, il existe principalement du PE et du PP et leurs combinaisons. Il existe aussi un type de diaphragme solide inorganique, comme le revêtement de diaphragme en alumine qui est un type de diaphragme solide inorganique ;

(3) Électrode négative - le matériau actif se réfère principalement au graphite, titanate de lithium, ou matériau carbone avec une structure similaire au graphite, et le collecteur de courant conducteur utilise généralement une feuille de cuivre d'une épaisseur de 7 à 15 microns ;
(4) Électrolyte - généralement un système organique, comme un solvant carbonate dissous avec du hexafluorophosphate de lithium, et certaines batteries polymères utilisent un électrolyte en gel ;
(5) Boîtier de batterie - principalement divisé en deux types : boîtier rigide (boîtier en acier, boîtier en aluminium, boîtier en fer nickelé, etc.) et boîtier souple (film aluminium-plastique).

Lorsque la batterie est chargée, les ions lithium sont désintercalés de l'électrode positive et intercalés dans l'électrode négative, et inversement lors de la décharge. Cela nécessite qu'une électrode soit dans un état d'intercalation lithium avant l'assemblage. Généralement, un oxyde métallique de transition à intercalation lithium avec un potentiel supérieur à 3V par rapport au lithium et stable à l'air est choisi comme électrode positive, comme LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Comme matériau de l'électrode négative, un composé lithium intercalable avec un potentiel aussi proche que possible du potentiel du lithium est choisi, comme divers matériaux carbonés incluant le graphite naturel, graphite synthétique, fibre de carbone, carbone sphérique mésophase, etc. et des oxydes métalliques, incluant SnO, SnO2, oxyde composite d'étain SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) etc.
L'électrolyte adopte un système de solvant mixte de LiPF6 carbonate d'éthylène (EC), carbonate de propylène (PC) et carbonate diéthylique (DEC) à faible viscosité et autres carbonates alkyles.

Le diaphragme adopte un film microporeux polyoléfine tel que PE, PP ou leur film composite, en particulier le diaphragme triple couche PP/PE/PP qui a non seulement un point de fusion bas, mais aussi une haute résistance à la perforation, jouant un rôle d'assurance thermique.
La coque est en acier ou en aluminium, et l'assemblage du couvercle a une fonction anti-explosion et coupure de courant.
Voilà, ce qui précède concerne les batteries au lithium aujourd'hui. Depuis la naissance des batteries au lithium en 1970, elles se sont développées rapidement. Les batteries au lithium ont pénétré dans tous les aspects de notre vie, et il existe encore d'énormes perspectives de développement à l'avenir.
J'espère que le contenu ci-dessus vous sera utile, plus d'informations seront continuellement mises à jour, à bientôt dans le prochain numéro.