Guide complet sur les batteries au lithium-ion : applications dans les domaines de l'alimentation, de la consommation et du stockage d'énergie

Les batteries au lithium-ion peuvent être divisées en petites batteries pour consommateurs (3C), batteries au lithium-ion pour véhicules électriques et grandes batteries de stockage d'énergie, selon leurs applications en aval.

I. Batterie de puissance

Les batteries de puissance sont des batteries qui fournissent de l'énergie aux appareils électriques et représentent actuellement un domaine d'application en forte croissance pour les batteries au lithium-ion. Elles sont largement utilisées dans les véhicules à énergie nouvelle, les outils électriques, les vélos électriques, entre autres. Les batteries de puissance constituent également un type de batterie de stockage d'énergie, principalement utilisées dans les véhicules électriques. En raison des contraintes de taille et de poids des véhicules automobiles, ainsi que des exigences en matière d'accélération, les batteries de puissance ont des spécifications plus élevées que les batteries de stockage d'énergie ordinaires. Ces spécifications incluent une densité énergétique plus élevée, des vitesses de charge plus rapides et des courants de décharge plus importants, alors que les batteries de stockage d'énergie ordinaires n'ont pas de telles exigences strictes.

1. Caractéristiques du produit :

Pour les batteries lithium-ion de type puissance, davantage de considérations sont nécessaires concernant la vitesse de charge, l'autonomie, la fiabilité et la cohérence, compte tenu des exigences à long terme (au moins 5 à 10 ans). Densité énergétique : le bloc-batterie représente environ 25 % du poids d'une voiture, et les variations de poids de la batterie affectent directement la consommation d'énergie du véhicule. Pour une même quantité de charge, un bloc-batterie à plus haute densité énergétique permet une autonomie plus élevée. Vitesse de charge : la vitesse de charge est également un indicateur crucial pour les batteries de traction actuelles. Les principaux fabricants de batteries conçoivent actuellement des taux de charge compris entre 4C et 6C, voire plus, afin de réduire le temps d'attente des utilisateurs. Sécurité et cohérence : les blocs-batteries des véhicules électriques utilisent un grand nombre de cellules connectées en série et en parallèle. Idéalement, la probabilité de défaillance d'une batterie de traction (sécurité, stockage, durée de cycle, etc.) devrait être inférieure à un sur cent millions. Si cette probabilité reste constamment faible, la batterie est sujette à la surcharge et à la décharge excessive pendant l'utilisation, ce qui pourrait entraîner des problèmes de sécurité.

2. Type d'électrode positive :

Actuellement, les principaux types de batteries électriques sur le marché incluent les batteries au lithium ternaire, les batteries LiFePO4 et les batteries LiMn2O4. En termes de compatibilité globale des batteries électriques, les batteries au lithium ternaire et les batteries LiFePO4 dominent le marché. Bien entendu, un autre matériau cathodique digne d'intérêt dans le domaine des batteries électriques est le NCA (nickel-cobalt-aluminium) (8:1,5:0,5), qui offre une densité énergétique élevée par cellule, mais présente également une barrière d'entrée très élevée.

II. Les États membres Batteries pour consommateurs

Les batteries pour consommateurs constituent un autre domaine d'application important des batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion pour consommateurs sont principalement utilisées dans les produits électroniques grand public tels que les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques, les caméscopes numériques, les banques d'alimentation et les jouets électriques — ce qu'on appelle les « produits 3C » — sous forme de cellules et de modules de batteries au lithium. Elles se divisent principalement en batteries cylindriques, prismatiques et à poche. Les batteries lithium-ion cylindriques ont un diamètre plus important, ce qui limite l'épaisseur des produits électroniques destinés aux consommateurs finaux ; les batteries lithium-ion prismatiques présentent un design d'apparence relativement fixe et sont difficiles à rendre fines. Par conséquent, ces deux types de batteries lithium-ion ne peuvent pas satisfaire les exigences de certains produits électroniques grand public en matière de batteries minces, légères, de taille variable et sûres. Les batteries lithium-ion polymères à poche utilisent un film aluminium-plastique comme boîtier, ce qui les rend légères, sûres, offrant des options de conception plus flexibles et une densité énergétique plus élevée, les rendant ainsi plus adaptées aux exigences des produits électroniques grand public en matière de batteries minces, légères, de taille variable et sûres. Par conséquent, les batteries lithium-ion polymères à poche sont actuellement le type de batterie lithium-ion grand public le plus couramment utilisé. L'industrie des batteries pour consommateurs est mature, et la demande globale est relativement stable.

1. Caractéristiques du produit :

Les batteries au lithium-ion pour consommateurs ont des conditions d'utilisation relativement moins strictes et ne nécessitent pas une fiabilité à long terme. Elles sont généralement utilisées seules et n'ont pas besoin d'être associées à d'autres batteries, de sorte que les exigences en matière de cohérence ne sont pas très élevées. Toutefois, en raison de l'espace limité et de la valeur accordée à la compacité dans les produits grand public tels que les téléphones portables et les tablettes, les batteries lithium-ion destinées aux consommateurs doivent satisfaire à des exigences strictes en termes de dimensions, de capacité et de densité énergétique. Les batteries haut de gamme pour consommateurs utilisent les technologies et matériaux les plus avancés, tandis que les batteries de traction exigent un contrôle de processus, un contrôle de la cohérence et une gestion de la qualité encore plus perfectionnés. La durée de cycle requise pour les produits grand public n'est pas aussi longue que celle des batteries de traction ou des systèmes de stockage d'énergie. Par exemple, après deux ou trois ans d'utilisation, nous constatons que la capacité de la batterie d'un téléphone portable a diminué jusqu'à 80 %, principalement parce que la plupart des téléphones sont chargés une ou deux fois par jour. Cela signifie que la capacité du téléphone chute en dessous de 80 % en moins de trois ans, moment où il faut remplacer soit la batterie, soit le téléphone lui-même.

2. Type d'électrode positive :

L'oxyde de cobalt et de lithium (LCO) domine encore le marché des batteries grand public. Bien que le NCM ternaire (Non-Lithium Cobalt Oxide) offre une capacité spécifique élevée, il ne remplace pas facilement le LCO en raison du dégagement de gaz à haute tension. Bien que les matériaux cathodiques LCO présentent des inconvénients tels qu'un coût élevé (dû au cobalt coûteux), une faible performance en cyclage et une sécurité médiocre, leur densité tapante élevée et leur tension de fonctionnement élevée leur confèrent tout de même un avantage dans les produits électroniques ultra-minces. La demande reste stable pour les smartphones, ordinateurs portables et tablettes milieu et haut de gamme. En outre, l'augmentation de la capacité des batteries des téléphones 5G ainsi que l'apparition de nouveaux appareils électroniques grand public tels que les drones, les écouteurs TWS et les cigarettes électroniques stimulent toutes la demande sur le marché des matériaux cathodiques LCO. Le LCO possède la densité tapante la plus élevée, ce qui lui confère la densité énergétique volumétrique la plus élevée dans le volume limité des appareils électroniques grand public. Une excellente densité tapante, une densité énergétique volumétrique élevée, une bonne performance en cyclage et aux températures élevées/basses, ainsi que la possibilité d'augmenter davantage la densité énergétique du LCO en augmentant le potentiel de coupure en charge, font des matériaux LCO haute tension et haute densité la voie d'avenir.

III. Batteries de stockage d'énergie

Les batteries de stockage d'énergie désignent des batteries qui stockent l'énergie électrique en la convertissant en énergie chimique. Actuellement, le marché des batteries de stockage d'énergie comporte deux principaux domaines d'application : le stockage d'énergie électrique et le stockage d'énergie résidentiel. Les batteries de stockage électrique constituent essentiellement une technologie de stockage d'énergie électrique, permettant de conserver l'énergie sous forme stockée. Les scénarios d'application incluent le stockage par pompage-turbinage, le stockage par batteries, le stockage mécanique et le stockage par air comprimé, qui peuvent être utilisés dans divers domaines industriels. Les batteries de stockage d'énergie résidentielles sont généralement conçues pour une utilisation en extérieur ; par exemple, lors de pannes d'électricité à domicile ou lors de séjours en camping, une batterie de stockage d'énergie à haute capacité et longue durée est nécessaire pour faire face à des besoins imprévus.

1. Caractéristiques du produit :

Les batteries au lithium pour le stockage d'énergie ont des exigences plus élevées en matière de durée de vie. La durée de vie des véhicules électriques est généralement de 5 à 8 ans, tandis que les projets de stockage d'énergie visent typiquement une durée de vie supérieure à 10 ans. La durée de cycle des batteries lithium-ion pour la propulsion est de 1000 à 2000 cycles, alors que les batteries lithium-ion pour le stockage d'énergie exigent généralement une durée de cycle supérieure à 5000 cycles. Cela s'explique par le fait que les batteries de stockage ne priorisent pas la densité énergétique volumétrique ni la densité énergétique gravimétrique, mais mettent plutôt l'accent sur la sécurité et le coût. Du point de vue des propriétés intrinsèques des matériaux, le phosphate de fer et de lithium présente une meilleure stabilité thermique et un coût de matériau inférieur à celui des batteries au lithium ternaire, et sa durée de cycle atteint déjà près de 10 000 cycles ; ainsi, son utilisation sur le marché mondial du stockage d'énergie devient de plus en plus répandue.

2. Type d'électrode positive :

Il existe certaines différences entre les batteries au lithium pour la propulsion et celles destinées au stockage d'énergie, mais du point de vue de la cellule elle-même, les deux peuvent apparemment utiliser des batteries au phosphate de fer et au lithium (LFP) ou des batteries au lithium ternaire. Toutefois, dans les applications de stockage d'énergie, les batteries LFP sont presque exclusivement utilisées. Cela est principalement dû aux nombreux accidents liés à la sécurité survenus dans les centrales de stockage d'énergie. Les batteries au lithium spécifiquement conçues pour le stockage n'ont pas besoin d'une densité énergétique élevée, mais doivent offrir une grande sécurité, car les systèmes électrochimiques de stockage d'énergie comprennent des centaines voire des dizaines de milliers de batteries. Une fois qu'un incendie démarre et se propage, la situation devient extrêmement difficile à maîtriser. Le 29 juin 2022, l'Administration nationale de l'énergie a publié un projet d'avis sur les « Vingt-cinq exigences essentielles pour prévenir les accidents dans la production d'électricité », stipulant que les grandes centrales électrochimiques de stockage d'énergie ne doivent pas utiliser de batteries au lithium ternaire ni de batteries sodium-soufre, et qu'elles ne doivent pas non plus utiliser de batteries usagées provenant de véhicules électriques. Par conséquent, les batteries de stockage sont pratiquement toutes fabriquées à base de LFP.

résumé:

Le marché des batteries grand public s'est largement stabilisé, la recherche et développement sur les batteries étant principalement axée sur l'augmentation de la densité énergétique volumétrique et de la capacité. La part de marché des principales batteries de puissance est largement établie, une petite partie étant encore en cours de restructuration. Actuellement, l'accent est surtout mis sur l'allongement de l'autonomie et l'augmentation de la vitesse de charge. Les batteries de stockage d'énergie n'ont pas non plus connu de développements significatifs, se concentrant principalement sur des capacités extrêmement élevées, passant de 280 Ah à 314 Ah, puis maintenant à 587 Ah chez CATL et Haichen, ou même à 684 Ah chez Sungrow.