Chimie cellulaire et pièces détachées
Les cellules de la batterie constituent la partie la plus importante du système de batterie et le facteur le plus important à la fois en termes de coût et de performances sur les véhicules électriques.
Anodes
L’anode est l’une des deux électrodes d’une batterie de véhicule électrique (VE), l’autre étant la cathode. L’anode est l’électrode où l’oxydation se produit pendant le cycle de décharge de la batterie, libérant des électrons dans le circuit externe pour alimenter l’appareil ou le véhicule. Pendant le cycle de charge, l’anode est le lieu où se produit la réduction, absorbant les électrons du circuit externe et stockant l’énergie dans la batterie.
Dans une batterie lithium-ion, l’anode est généralement constituée de graphite, qui présente une structure en couches qui permet aux ions lithium de s’intercaler ou de s’insérer entre les couches. Lorsque la batterie est déchargée, les ions lithium se déplacent de l’anode à la cathode à travers l’électrolyte, tandis que les électrons circulent à travers le circuit externe pour alimenter l’appareil. Pendant le cycle de charge, le processus inverse se produit, les ions lithium se déplaçant de la cathode vers l’anode, où ils sont stockés.
Les performances de l’anode sont un facteur critique dans les performances globales et la sécurité d’une batterie EV. Un matériau d’anode de haute qualité doit avoir une capacité de stockage lithium-ion élevée, une bonne conductivité, une bonne stabilité structurelle et être résistant à la dégradation sur plusieurs cycles de charge et de décharge. L’anode en graphite utilisée dans la plupart des batteries lithium-ion répond à ces exigences, mais les chercheurs explorent également d’autres matériaux d’anode tels que le silicium, qui a une capacité de stockage beaucoup plus élevée mais est plus sujet à la dégradation.
Certaines entreprises comme StoreDot travaillent sur des anodes basées sur [Silicon](https://www.store-dot.com/blog/silicon-dominant-anodes-pave-the-way-for-future-li-ion-ev- batteries). Cela pourrait théoriquement voir la densité énergétique au niveau des cellules doubler presque, apportant des avantages évidents aux véhicules électriques. Au-delà de cela, les anodes en Si pourraient également améliorer l’attrait des cellules à faible énergie, telles que les LFP, en réduisant l’écart avec les cellules à base de NMC et en minimisant le principal inconvénient des LFP – une densité d’énergie limitée – en particulier dans les applications EV. Les estimations montrent que l’incorporation de 20 % de Si dans une anode pourrait améliorer la densité énergétique d’une cellule LFP de 17 %, bien que le coût supplémentaire de l’anode en Si puisse être prohibitif.
Cathode
La cathode est l’électrode où la réduction se produit pendant le cycle de décharge de la batterie, acceptant les électrons du circuit externe pour alimenter l’appareil ou le véhicule. Pendant le cycle de charge, la cathode est le lieu où se produit l’oxydation, libérant des électrons dans le circuit externe et stockant de l’énergie dans la batterie.
Dans une batterie lithium-ion, la cathode est généralement constituée d’un oxyde métallique, tel que l’oxyde de lithium-cobalt (LCO), l’oxyde de lithium-nickel-cobalt-manganèse (NMC) ou le phosphate de fer et de lithium (LFP). Le choix du matériau de la cathode peut avoir un impact significatif sur les performances, la sécurité et le coût de la batterie.
Oxydes de lithium, nickel, manganèse et cobalt (NMC)
Les cathodes NMC sont un choix populaire pour les batteries de véhicules électriques en raison de leur haute densité énergétique et de leur bonne stabilité thermique. Ils offrent un équilibre entre densité énergétique et densité de puissance, ce qui les rend adaptés à une large gamme d’applications EV.
Il existe différentes versions de cathodes NMC (oxyde de lithium, nickel, manganèse et cobalt) utilisées dans les batteries des véhicules électriques (VE). La composition et le rapport des métaux utilisés dans la cathode peuvent varier, entraînant des propriétés et des caractéristiques de performance différentes.
Les cathodes NMC les plus couramment utilisées dans les batteries EV sont NMC111, NMC532 et NMC622, qui font référence aux ratios de nickel, de manganèse et de cobalt dans la cathode. Par exemple, le NMC111 contient une partie de nickel, une partie de manganèse et une partie de cobalt, tandis que le NMC523 contient cinq parties de nickel, trois parties de manganèse et deux parties de cobalt. Plus la teneur en nickel est élevée, plus la densité énergétique de la cathode est élevée, mais aussi plus le coût est élevé.
Plus récemment, des développements ont eu lieu dans la technologie des cathodes NMC qui utilisent une teneur en nickel encore plus élevée, comme le NMC811 (huit parties de nickel, une partie de manganèse et une partie de cobalt) et le NMC622. Ces cathodes offrent une densité énergétique encore plus élevée, mais peuvent également présenter certains défis liés à la stabilité thermique et à la durée de vie. NCM9 est l’évolution la plus récente où Nickel représente 90 % du contenu.
Outre les proportions de métaux, la taille des particules et la morphologie du matériau de la cathode peuvent également avoir un impact sur les performances. Par exemple, des particules plus petites peuvent améliorer la capacité de débit et la densité de puissance de la batterie, tandis que des particules plus grosses peuvent améliorer la densité énergétique.
Dans l’ensemble, le choix de la composition et de la morphologie de la cathode NMC dépend des exigences spécifiques de la batterie EV, notamment la densité énergétique, la densité de puissance, la stabilité thermique, la durabilité et le coût. Les fabricants de batteries recherchent et développent constamment de nouveaux matériaux cathodiques NMC pour améliorer les performances et l’efficacité des batteries EV.
Oxydes de lithium, nickel, cobalt et aluminium (NCA)
Les cathodes NCA ont une densité énergétique élevée et sont utilisées dans les batteries des véhicules électriques, en particulier dans les véhicules Tesla. Les cathodes NCA offrent une densité énergétique élevée et de bonnes performances, ce qui en fait un choix populaire auprès de nombreux fabricants de véhicules électriques.
La composition des cathodes NCA comprend généralement du nickel, du cobalt, de l’aluminium et de l’oxygène. Le rapport exact de ces éléments peut varier en fonction de l’application spécifique et des exigences de la batterie. Les cathodes NCA offrent une densité énergétique élevée, ce qui signifie qu’elles peuvent stocker plus d’énergie par unité de poids ou de volume que certains autres matériaux cathodiques. Cela se traduit par une autonomie plus longue pour les véhicules électriques équipés de batteries NCA.
Les cathodes NCA ont également une bonne densité de puissance, ce qui signifie qu’elles peuvent fournir une puissance de sortie élevée en cas de besoin, par exemple lors d’une accélération ou d’un freinage par récupération. Les batteries NCA ont également une longue durée de vie, ce qui signifie qu’elles peuvent supporter de nombreux cycles de charge-décharge sans dégradation significative, ce qui en fait une option fiable et durable pour les applications EV.
Cependant, les cathodes NCA peuvent être sensibles aux températures élevées, ce qui peut provoquer une dégradation thermique et réduire leur durée de vie. Pour résoudre ce problème, les fabricants de véhicules électriques utilisent souvent des systèmes sophistiqués de gestion thermique des batteries pour maintenir la température de la batterie dans une plage de fonctionnement sûre.
Dans l’ensemble, les cathodes NCA offrent un bon équilibre entre densité énergétique et densité de puissance, ce qui en fait un choix populaire pour les véhicules électriques qui nécessitent des performances élevées et une longue autonomie. Cependant, leur sensibilité aux températures élevées nécessite une gestion thermique minutieuse pour maintenir leurs performances et leur durée de vie.
Batterie au lithium fer phosphate (LFP)
Le lithium fer (ferro) phosphate (LFP) est un matériau cathodique couramment utilisé dans les batteries de véhicules électriques (VE) en raison de sa stabilité thermique élevée et de sa longue durée de vie. Les cathodes LFP ont une densité énergétique inférieure à celle de certains autres types de cathodes, mais elles offrent une bonne sécurité, durabilité et rentabilité.
La composition des cathodes LFP est constituée de phosphate de fer et de lithium (LiFePO4), qui est un matériau relativement stable et non toxique par rapport aux autres produits chimiques de batteries lithium-ion. Cela fait des cathodes LFP un choix populaire pour les batteries de véhicules électriques en Chine, où les réglementations de sécurité sont strictes.
Des marques comme Tesla ont commencé à utiliser le LFP dans leurs modèles bas de gamme.
Avantages avec LFP
L’un des principaux avantages des cathodes LFP est leur grande stabilité thermique, qui les rend moins sensibles à l’emballement thermique et à la surchauffe que les autres types de cathodes. En effet, la liaison chimique entre le fer, l’oxygène et le phosphore dans la structure cathodique est plus forte que celle des autres matériaux cathodiques. En conséquence, les batteries LFP peuvent fonctionner à des températures élevées sans nécessiter de systèmes de refroidissement actifs, ce qui réduit la complexité et le coût du bloc de batteries.
Un autre avantage des cathodes LFP est leur longue durée de vie, ce qui signifie qu’elles peuvent supporter de nombreux cycles de charge-décharge sans dégradation significative. Cela fait des batteries LFP un bon choix pour les applications qui nécessitent une longue durée de vie et une grande fiabilité, telles que les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie.
Le coût est inférieur à celui des produits chimiques à base de nickel. Typiquement, environ 20 % de moins pour chaque kWh.
Les inconvénients
Les cathodes LFP ont une densité énergétique inférieure à celle de certains autres types de cathodes, ce qui signifie qu’elles ont une capacité inférieure à stocker de l’énergie par unité de poids ou de volume. Cela les rend moins adaptés aux véhicules électriques qui nécessitent une autonomie et une densité énergétique élevées.
Les performances de la batterie LFP par temps froid sont pires que celles des autres batteries lithium-ion, telles que les batteries NCA/NMC. Les températures froides ralentissent les réactions chimiques à l’intérieur des batteries, réduisant ainsi leur capacité de décharge et leur vitesse de charge.
Les batteries LFP se chargent plus lentement par temps froid que les batteries NCA/NMC et leur autonomie diminue un peu plus que les batteries NCA par temps froid. Cependant, les batteries LFP peuvent toujours fonctionner de manière sûre et fiable à des températures allant de -20°C à 60°C (-4°F à 140°F).
Phosphate de fer et de manganèse lithium (LMFP)
La chimie des batteries LMFP est un type de chimie des batteries lithium-ion qui utilise du phosphate de fer et de lithium-manganèse (LiMn x Fe 1−x PO 4 ) comme matériau cathodique et une électrode de carbone graphitique avec un support métallique comme anode. La chimie des batteries LMFP combine la haute sécurité du phosphate de fer et de lithium (LFP) et la haute densité énergétique du phosphate de lithium et de manganèse (LMP). La chimie des batteries LMFP est un matériau cathodique prometteur pour les batteries lithium-ion haute performance, en particulier pour les véhicules électriques.
Certains des avantages de la chimie des batteries LMFP sont :
- Haute stabilité thermique et faible risque d’emballement thermique
- Haute densité de puissance et capacité de charge rapide
- Durée de vie élevée et bonnes performances de débit
- Faible coût et respect de l’environnement
- Plateforme haute tension et capacité spécifique améliorée
Certains des défis de la chimie des batteries LMFP sont :
- Faible conductivité électronique et coefficient de diffusion des ions lithium
- Transition de phase et distorsion du réseau pendant le cyclage
- Dissolution du manganèse à haute température
- Compatibilité électrolytique et stabilité de l’interface
Résumé Matériaux cathodiques
Le tableau ci-dessous résume les différences
| # | NCA | NMC | LFP |
|---|---|---|---|
| Gravimetric density | 240-272 Wh/kg | 200-272 Wh/kg | 90-120Wh/kg |
| Volummetric density | 580-720 Wh/l | 500 - 620 Wh/l | 220-300 Wh/l |
| Cycles | 500-1000 | 1000-2000 | 2000 - 5000 |
Un séparateur est un composant essentiel d’une batterie de véhicule électrique (VE) qui est placé entre la cathode et l’anode pour éviter qu’elles ne se touchent et provoquent un court-circuit. Le séparateur est généralement une fine membrane poreuse constituée d’un matériau polymère qui permet la circulation des ions lithium entre la cathode et l’anode, tout en empêchant la circulation des électrons.
Le séparateur remplit plusieurs fonctions importantes dans une batterie EV. Premièrement, il constitue une barrière physique entre la cathode et l’anode, les empêchant d’entrer en contact direct et provoquant un court-circuit. Deuxièmement, il permet la circulation des ions lithium, nécessaires au fonctionnement de la batterie. Troisièmement, il contribue à maintenir l’uniformité de la structure interne de la batterie en empêchant la formation de dendrites, qui sont de minuscules structures en forme d’aiguilles qui peuvent se développer à partir de l’anode et percer le séparateur, entraînant un court-circuit.
Le choix du matériau du séparateur peut avoir un impact significatif sur les performances et la sécurité de la batterie. Un bon matériau séparateur doit avoir une conductivité ionique élevée, une faible conductivité électrique et une bonne stabilité thermique. Il doit également être capable de résister aux contraintes des cycles répétés de charge et de décharge sans se dégrader, et être résistant à la dégradation thermique et chimique.
Il existe plusieurs types de matériaux séparateurs utilisés dans les batteries de véhicules électriques, notamment le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et les matériaux céramiques tels que le phosphate de lithium, d’aluminium et de titane (LATP). Chaque type de séparateur présente ses propres avantages et inconvénients, et le choix du matériau du séparateur dépend des exigences spécifiques de la batterie.
En résumé, le séparateur est un composant essentiel d’une batterie de VE qui aide à prévenir les courts-circuits et à maintenir l’uniformité de la structure interne de la batterie, tout en permettant le flux d’ions lithium nécessaire au fonctionnement de la batterie.
Électrolyte
Les électrolytes liquides des batteries lithium-ion sont constitués de sels de lithium dans un solvant organique, tel que le carbonate d’éthylène, le carbonate de diméthyle et le carbonate de diéthyle.
Un électrolyte liquide agit comme une voie conductrice pour le mouvement des cations passant des électrodes négatives aux électrodes positives pendant la décharge et dans le sens opposé lors de la charge.
Les électrolytes à base de matériaux solides sont des domaines sur lesquels beaucoup travaillent. Celles-ci sont appelées batteries à semi-conducteurs.
Les batteries à semi-conducteurs présentent de nombreux avantages potentiels, tels qu’une densité énergétique plus élevée, une charge plus rapide, une durée de vie plus longue et une meilleure sécurité. Cependant, ils sont également confrontés à de nombreux défis, tels qu’un coût élevé, une faible densité de puissance, une mauvaise stabilité d’interface et une évolutivité difficile.
Les batteries semi-solides sont un type de batterie hybride qui combine des électrolytes solides et liquides. Ils visent à surmonter certains des inconvénients des batteries à semi-conducteurs, tels que la faible surface de contact et la lenteur de fabrication. Les batteries semi-solides ont une conductivité ionique plus élevée, une résistance interne plus faible et une meilleure compatibilité avec le lithium métal que les batteries traditionnelles. Cependant, elles ont également une densité énergétique plus faible, un poids plus élevé et une plus grande complexité que les batteries à semi-conducteurs. Actuellement, seul Nio a annoncé un pack semi-solide qui sera disponible en Chine courant 2024.
Les batteries quasi-solides sont un autre type de batterie hybride qui utilise un électrolyte de type gel au lieu d’un électrolyte liquide ou solide. Elles ont des propriétés similaires aux batteries semi-solides, mais avec plus de flexibilité et de viscosité. Les batteries quasi-solides peuvent également former une couche protectrice sur la surface du lithium métallique, ce qui améliore les performances de cyclage et la sécurité de la batterie. Cependant, ils souffrent également d’une faible conductivité ionique, d’une polarisation élevée et d’une faible résistance mécanique.
Collecteur de courant
Le collecteur de courant est un composant d’une cellule de batterie qui facilite la circulation du courant électrique entre l’électrode et le circuit externe. Dans la plupart des cellules de batterie, le collecteur de courant est une fine feuille métallique placée de chaque côté du matériau de l’électrode.
Dans une cellule de batterie lithium-ion, par exemple, le collecteur de courant est généralement en cuivre ou en aluminium et est recouvert d’une fine couche de carbone pour améliorer la conductivité et prévenir la corrosion. Le collecteur de courant est généralement placé sur la surface du matériau de l’électrode et, lorsque la cellule est chargée ou déchargée, le courant circule du collecteur de courant à travers le matériau de l’électrode et retourne vers le circuit externe.
La conception et les matériaux utilisés pour le collecteur de courant peuvent avoir un impact significatif sur les performances et la durabilité de la cellule de batterie. Par exemple, un collecteur de courant ayant une conductivité élevée et une faible résistance peut contribuer à améliorer l’efficacité de la cellule de batterie, tandis qu’un collecteur de courant sujet à la corrosion peut réduire la durée de vie de la cellule.
Batterie EV expliquée avec de la nourriture
Dans la vidéo ci-dessous, la scientifique et ingénieure en batteries Jill Pestana de la chaîne YouTube [Across the Nanoverse](https://www.youtube.com/@ AcrosstheNanoverse) explique les différentes pièces de la batterie avec de la nourriture.
VE les plus vendus dans le monde
Ci-dessous, vous trouverez les 10 modèles de véhicules électriques les plus vendus au monde. Cliquez sur le nom pour plus d'informations.