La nouvelle technologie énergétique est reconnue comme une technologie de pointe au 21e siècle. En tant que partie importante du nouveau champ énergétique, l’industrie des batteries est devenue un nouveau point chaud du développement économique mondial. À l’heure actuelle, les batteries lithium-ion sont largement utilisées comme source d’énergie importante. Que ce soit dans le domaine des communications électroniques ou du transport, elle joue un rôle extrêmement important et a de vastes perspectives d’application.
La batterie lithium-ion est une sorte de batterie secondaire. C'est un nouveau type de batterie développé sur la base d'une batterie au lithium. Il repose principalement sur les ions lithium se déplaçant entre les électrodes positives et négatives pour fonctionner. Depuis les années 1970, diverses batteries primaires au lithium à haute énergie spécifique utilisant du lithium métal comme électrode négative ont été introduites et largement utilisées.
La batterie lithium-ion a une tension de fonctionnement élevée, une énergie spécifique élevée, une grande capacité, une petite autodécharge, un bon cycle, une longue durée de vie, un poids léger et une petite taille. Il représente les batteries modernes hautes performances et constitue un appareil électronique portable tel que les téléphones portables et les ordinateurs portables. La source d'énergie idéale devrait devenir l'une des principales sources d'énergie pour les véhicules électriques et les outils électriques sans fil.
L’histoire du développement de l’industrie de la batterie lithium-ion en Chine n’est pas longue, mais elle se développe très rapidement. En 2012, la production totale de batteries ioniques en Chine a atteint 4,18 milliards. Sur le marché international des batteries lithium-ion, la Chine, le Japon et la Corée du Sud ont formé une situation à trois pattes. Le développement technologique de l'industrie des batteries lithium-ion en Chine a commencé par imiter une technologie étrangère mature. Dans le processus, l'innovation de processus est la principale réalisation du développement précoce de l'industrie chinoise des batteries lithium-ion. Au cours des dernières années, avec l’investissement croissant dans l’innovation technologique, la Chine L’industrie des batteries lithium-ion s’est développée rapidement en termes d’innovation technologique et a constitué un pôle de compétitivité industrielle de base et a accumulé certains avantages technologiques dans certains domaines.
État de la recherche et tendance de développement des matériaux de batterie au lithium-ion
Les principales structures des batteries lithium-ion sont une électrode positive, une électrode négative, un électrolyte capable de conduire les ions lithium et un séparateur séparant les électrodes positive et négative. Les performances électrochimiques des batteries lithium-ion dépendent principalement de la structure et des propriétés des matériaux utilisés pour les électrodes et des matériaux diélectriques. En particulier, le choix et la qualité des matériaux utilisés pour l’électrode déterminent directement les caractéristiques et le prix de la batterie lithium-ion.
À l’heure actuelle, les recherches sur les matériaux cathodiques des batteries au lithium ionique se concentrent principalement sur l’oxyde de cobalt et le nickelate de lithium. Dans le même temps, l’apparition de nouveaux matériaux cathodiques (tels que les matériaux Li-Mn-O et les polymères conducteurs) constitue également le matériau cathodique des batteries lithium-ion. Le développement a injecté une nouvelle vitalité et la recherche d'un nouveau système de développement de matériaux de cathodes de batteries secondaires au lithium ion à haute tension, haute capacité spécifique et bonnes performances de cycle est un contenu de recherche important dans ce domaine. Actuellement, les matériaux d'électrode positive des batteries lithium-ion sont encore des oxydes de métaux de transition tels que LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 et leurs matériaux composites. De 2005 à 2010, les matériaux cathodiques polymères à haute densité d'énergie, ainsi que les sulfures organiques et les sulfures inorganiques, deviennent des batteries à ions lithium. Une nouvelle génération de matériaux cathodiques. Les matériaux anodiques des batteries lithium-ion comprennent principalement les matériaux au carbone, les alliages métal-lithium, les oxydes métalliques, les nitrures métalliques, les nano-silicones, etc. Parmi ceux-ci, les matériaux au carbone sont les principaux matériaux utilisés pour les électrodes négatives pour les applications commerciales, ainsi que les alliages et métaux nano-métalliques. Les silicones sont devenues des points chauds pour la recherche et le développement. . Le matériau électrolytique de la batterie au lithium ionique est principalement utilisé pour électrolyser son solvant en matière organique anhydre. La plupart d’entre eux utilisent des solvants mélangés tels que EC-DMC et PC-DMC. LiPF6 est le sel conducteur le plus couramment utilisé.
Pour les matériaux cathodiques de batterie lithium-ion, les matériaux cathodiques à base d’oxyde de cobalt et de lithium ont toujours une forte vitalité dans le futur. Dans le système de batterie lithium-ion commercial actuel, les batteries à l'oxyde de cobalt et au lithium reposent sur leur tension de coupure à haute charge et leur densité solide à haute tension. L’avantage reste le système de batterie préféré pour les produits de batterie 3C haut de gamme; tandis que le matériau en couches de la cathode LiNixCo1 – x – yMnyO2 présente non seulement une densité d'énergie élevée, mais également les propriétés de sécurité du matériau, de stabilité du cycle, de performance à haute température et de coût de préparation. C'est relativement excellent. La proportion de matériaux cathodiques utilisés dans le monde augmente chaque année. Il a non seulement remplacé progressivement certaines applications de matériaux à base d'oxyde de lithium et de cobalt, mais a également émergé dans l'application de nouvelles batteries d'énergie pour véhicules. C'est l'un des matériaux de cathode les plus prometteurs du futur. Dans un proche avenir, les matériaux de cathode à fil en ions lithium sont toujours dominés par les matériaux à base d'oxyde de cobalt et de lithium et de LiNixCo1 – x – yMnyO2. Les matériaux à base de phosphate de fer lithium et de spinelle manganèse ont non seulement des coûts de préparation et des ressources moindres, mais ils offrent également une excellente sécurité et une excellente stabilité du cycle. Ce sont les matériaux cathodiques préférés pour les batteries de puissance, en particulier LiNi0.5Mn1.5O4 / Li4Ti5O12. La batterie d'alimentation du système peut atteindre une charge et une décharge rapides, ce qui est l'une des directions principales des batteries d'alimentation de véhicules à énergie nouvelle dans le futur. Les matériaux cathodiques NCA à haute densité d'énergie ont leur place dans les batteries de produits haut de gamme 3C et les batteries d'alimentation de véhicules à énergie nouvelle, mais des coûts élevés, un environnement de fabrication de batteries rigoureux et d'autres facteurs limitent son large éventail d'applications. Le phosphate de fer, le lithium, le manganate de potassium et les matériaux cathodiques NCA ont toujours occupé une certaine position dans la structure actuelle du matériau cathodique. Le matériau stratifié à base de manganèse riche en lithium est le matériau cathodique industrialisé de nouvelle génération doté de la densité d'énergie la plus élevée, et le marché offre de nombreuses perspectives d'application. Cependant, les problèmes de capacité élevée irréversible et de faible rendement causés par ses propres problèmes structurels doivent encore être traités par les chercheurs. Étude approfondie.
Depuis la commercialisation des batteries lithium-ion dans les années 90, les matériaux au carbone ont été largement utilisés dans les batteries lithium-ion et resteront les matériaux de base essentiels des batteries lithium-ion. Dans la nouvelle anode en carbone, le développement futur se concentrera sur les anodes en graphite à haute puissance et les anodes en carbone à haute capacité sans graphite pour répondre aux besoins des futures batteries à énergie et à haute énergie. Les agents conducteurs de carbone ont un impact important sur les performances de la batterie. La recherche de nouveaux agents conducteurs portera sur le développement d'agents conducteurs composites à haut ionique à noir de carbone et composite obtenus en mélangeant de nouveaux matériaux carbonés tels que les nanotubes de carbone et le graphène. En raison de la structure flexible spéciale et bidimensionnelle, les agents conducteurs composites à base de nanotubes de carbone ont été largement utilisés dans le domaine des batteries lithium-ion au cours des dernières années. Les nanotubes de carbone et les matériaux d'électrode composites en graphène devraient être largement utilisés dans les batteries lithium-ion à haute capacité et les batteries d'alimentation lithium-ion, après avoir été améliorés par des performances électrochimiques appropriées et optimisés.
Situation du marché de la batterie lithium-ion et tendance de développement
Le marché des batteries lithium-ion peut toujours être divisé en trois marchés principaux: le marché de l'électronique grand public, le marché des véhicules électriques, le marché des applications industrielles et de stockage d'énergie. Le premier est généralement appelé le marché des petites batteries lithium-ion 3C et les deux derniers sont le marché des batteries lithium-ion de puissance.
Le développement de l'industrie des batteries lithium-ion est concentré dans l'industrie des 3C depuis plus de 20 ans et il est moins utilisé sur le marché des batteries de stockage d'énergie et des batteries de puissance plus grandes (nécessitant instantanément des courants importants), qui couvrent les véhicules électriques purs et hybrides. véhicules électriques. Véhicules, grands et moyens UPS, énergie solaire, grosses batteries de stockage d'énergie, outils à main électriques, motos électriques, vélos électriques, équipements aérospatiaux et batteries d'aéronefs. L’une des principales raisons est que le matériau de cathode à base d’oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2, la batterie la plus utilisée aux ions lithium) utilisé dans les batteries au lithium est coûteux et difficile à appliquer dans des environnements spéciaux tels que la perforation, les collisions, les températures élevées et la chaleur. basse température. Plus important encore, il a été critiqué pour ne pas avoir satisfait aux exigences absolues en matière de sécurité. Chers collègues, les batteries à l'oxyde de lithium et de cobalt ne peuvent pas recharger rapidement et éviter toute pollution secondaire. Elles doivent concevoir des circuits de protection empêchant toute surcharge ou décharge excessive, faute de quoi une explosion et d'autres dangers se produiront, même si l'explosion de la batterie Sony provoque global L'industrie de la marque NB a beaucoup investi dans le recyclage.
Actuellement, les ventes mondiales et chinoises de batteries lithium-ion sont principalement concentrées sur le marché de l'électronique grand public, bien que sa part de marché soit en baisse. En 2012, sur le marché de l'électronique grand public, 72,28% des 38,176 millions de kWh de batteries lithium-ion vendues dans le monde étaient vendus. Sur le marché chinois, le ratio était de 65,40% (les ventes totales de batteries lithium-ion ont été de 66,20 millions de kWh). En 2012, la quantité totale de batteries lithium-ion pour téléphones mobiles dans le monde s'élevait à 108 600 100 kWh, ce qui était inférieur au 1 094,20 millions de kWh en 2011. Cependant, sur le marché chinois, le nombre total de batteries lithium-ion pour téléphones mobiles augmenté de 6,30%. En Chine, les smartphones remplacent rapidement les téléphones classiques. À l'heure actuelle, la plupart des smartphones sont équipés de tubes de batterie moins d'une journée, ce qui signifie que même si la densité énergétique des batteries lithium-ion est doublée, il est difficile de répondre à la demande. Par conséquent, pendant un certain temps, le marché de l’énergie mobile, où l’électronique grand public charge à tout moment, se développera rapidement. En 2012, la demande mondiale de batteries lithium-ion de puissance mobile s'élevant à 1,23 million de kWh, dont plus de 80% est fabriquée en Chine, dont le marché chinois a consommé 52,20 millions de kWh, est la principale force de ce marché. Le marché chinois des tablettes PC se développe également rapidement et régulièrement. Le taux de croissance annuel est supérieur à la moyenne mondiale. L'augmentation rapide des ventes de tablettes PC a directement stimulé les ventes de batteries lithium-ion. En 2012, le volume de vente de batteries lithium-ion pour tablettes PC en Chine a atteint 284 900. kWh, une augmentation de 91,97%.
La batterie lithium-ion utilisée sur le marché du stockage industriel et de l’énergie se divise principalement en trois catégories: outils électriques, alimentations mobiles pour stations de base et production d’énergie éolienne. En 2012, la demande totale de batteries lithium-ion dans le monde, le marché du stockage industriel et de l'énergie, a consommé 4,736 millions de kWh, soit 12,25%; Le marché chinois a consommé au total 731 500 kWh de batteries lithium-ion, soit 15,65% de plus que le total mondial.