Qu'est-ce qu'une batterie rechargeable au lithium-ion?

La batterie lithium-ion est une batterie secondaire (batterie rechargeable) qui repose principalement sur le mouvement des ions lithium entre l'électrode positive et l'électrode négative pour fonctionner. Pendant le processus de charge et de décharge, Li + est intégré et dérangé entre les deux électrodes: lors de la charge, Li + est dérangé de l'électrode positive et intégré dans l'électrode négative à travers l'électrolyte, et l'électrode négative est à l'état riche en lithium; Lors de la décharge, l'inverse est vrai.

Partie 1: Introduction aux batteries
Les batteries au lithium sont divisées en batteries au lithium et batteries au lithium-ion. Les téléphones portables et les ordinateurs portables utilisent des batteries au lithium-ion, qui sont communément appelées batteries au lithium. Les batteries utilisent généralement des matériaux contenant des éléments de lithium sous forme d'électrodes et sont représentatifs des batteries modernes à haute performance. Cependant, les batteries de lithium réelles sont rarement utilisées dans les produits électroniques quotidiens en raison de leur risque élevé.
Les batteries au lithium-ion ont d'abord été développées par Sony Corporation of Japan en 1990. Il intègre des ions de lithium dans du carbone (coke de pétrole et graphite) pour former une électrode négative (les batteries au lithium traditionnelles utilisent un alliage de lithium ou de lithium comme électrode négative). LIXCOO2 est couramment utilisé comme matériau d'électrode positif, et lixnio2 et lixmno4 sont également utilisés. LIPF 6+ carbonate de diéthylène (EC) + carbonate de diméthyle (DMC) est utilisé comme électrolyte.
Le coke de pétrole et le graphite sont non toxiques et abondants en ressources en tant que matériaux d'électrode négatifs. Les ions lithium sont intégrés dans le carbone, ce qui surmonte la forte activité du lithium et résout les problèmes de sécurité des batteries au lithium traditionnelles. L'électrode positive LixcOO2 peut atteindre un niveau élevé en charge et en permanence et en décharge, ce qui réduit le coût. En bref, les performances complètes des batteries lithium-ion sont améliorées. On s'attend à ce que les batteries lithium-ion occupent un grand marché au 21e siècle.

Partie 2: Différences de batterie
Les batteries au lithium-ion sont facilement confondues avec les deux batteries suivantes
Batteries de lithium: utilisez le lithium métallique comme électrode négative.
Batteries au lithium-ion: utilisez des électrolytes organiques liquides non aqueux.
Batteries en polymère au lithium-ion: utilisez des polymères pour gélifier les solvants organiques liquides, ou utiliser directement des électrolytes entièrement solides. Les batteries au lithium-ion utilisent généralement des matériaux de carbone en graphite comme électrodes négatives.

Partie 3: Types principaux
Selon les différents matériaux d'électrolyte utilisés dans les batteries lithium-ion, les batteries lithium-ion sont divisées en batteries lithium-ion liquides (batterie lithium-ion liquéfiée, appelée LiB), batteries au lithium-ion condensées et batteries au lithium-ion polymère (batterie de lithium-ion polymère, référée PLB).
3.1 batteries lithium-ion liquides
Les batteries rechargeables au lithium-ion sont les batteries les plus utilisées dans les produits numériques modernes tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables. Par conséquent, il existe des composants protecteurs ou des circuits de protection sur la batterie pour empêcher les batteries coûteuses d'être endommagées. Les exigences de charge de batterie au lithium-ion sont très élevées. Pour s'assurer que la précision de tension de terminaison se situe à ± 1%, les principaux fabricants d'appareils semi-conducteurs ont développé une variété de CI de charge de batterie lithium-ion pour assurer une charge sûre, fiable et rapide.
Les téléphones mobiles grand public sont équipés de batteries au lithium-ion. L'utilisation correcte des batteries lithium-ion est très importante pour prolonger la durée de vie de la batterie. Il peut être transformé en plats rectangulaires, cylindriques, rectangulaires et en forme de bouton en fonction des exigences de différents produits électroniques, et il existe des batteries composées de plusieurs batteries connectées en série et parallèles. La tension nominale des batteries au lithium-ion est généralement de 3,7 V en raison des changements de matériaux, tandis que celui des électrodes positives au phosphate de fer au lithium est de 3,2 V. La tension de charge finale lorsqu'elle est complètement chargée est généralement de 4,2 V, et celle du phosphate de fer au lithium est de 3,65 V. La tension de décharge finale des batteries lithium-ion est de 2,75 V à 3. 0 v (l'usine de batterie donne la plage de tension de fonctionnement ou la tension de décharge finale, et celle des paramètres est légèrement différente, généralement 3. 0 v, et celle du phosphate de fer est de 2,5 V). Continuer à se décharger en dessous de 2,5 V (2. 0 V pour le phosphate de fer au lithium) est appelé sur-décharge, ce qui endommagera la batterie.
Les batteries au lithium-ion avec des matériaux de type oxyde de cobalt au lithium car les électrodes positives ne conviennent pas à une décharge à courant élevé. Une décharge de courant excessive réduira le temps de décharge (une température plus élevée sera générée à l'intérieur et l'énergie sera perdue) et peut être dangereuse; Mais les batteries au lithium avec des matériaux d'électrodes positives en phosphate de fer au lithium peuvent être chargées et déchargées à un courant élevé de 20 ° C ou encore plus (C est la capacité de la batterie, telle que C =800 MAH, le taux de charge 1C signifie que le courant de charge est de 800 mA), ce qui convient particulièrement aux véhicules électriques. Par conséquent, le fabricant de batteries donne le courant de décharge maximum, qui devrait être inférieur au courant de décharge maximal pendant l'utilisation.
Les batteries au lithium-ion ont certaines exigences de température. L'usine donne à la plage de températures de charge, à la plage de température de décharge et à la plage de températures de stockage. La charge de surtension entraînera des dommages permanents aux batteries au lithium-ion. Le courant de charge des batteries lithium-ion doit être basé sur les recommandations du fabricant de batteries, et un circuit limitant de courant est nécessaire pour éviter la surintensité (surchauffe).
Le taux de charge couramment utilisé est 0. 25c ~ 1c. Lors de la charge avec un courant important, la température de la batterie est souvent détectée pour empêcher la surchauffe d'endommager la batterie ou de provoquer une explosion.
La charge de batterie au lithium-ion est divisée en deux étapes: la charge de courant constant d'abord, puis la charge de tension constante lorsqu'elle est proche de la tension de terminaison. Par exemple, une batterie d'une capacité de 800mAh a une tension de charge de terminaison de 4,2 V. La batterie est chargée à un courant constant de 800 mA (le taux de charge est de 1C). Au début, la tension de la batterie augmente avec une grande pente. Lorsque la tension de la batterie est proche de 4,2 V, elle est changée en charge de tension constante de 4,2 V, le courant diminue progressivement et la tension ne change pas beaucoup. Lorsque le courant de charge tombe à 1 \/ 10-50 C (la valeur de réglage de chaque usine est différente et n'affecte pas l'utilisation), elle est considérée comme proche de la pleine et que la charge peut être terminée (certains chargeurs démarrent la minuterie après 1 \/ 10c et terminent la charge après une certaine période de temps).
3,2 Batterie au lithium-ion condensé
Le 19 avril 2023, CATL a libéré une batterie condensée avec une densité d'énergie allant jusqu'à 500 whg \/ kg, qui aura une capacité de production de masse en 2023.

Partie 4: Principe de travail

Les batteries au lithium-ion utilisent des matériaux de carbone comme électrodes négatives et des composés contenant du lithium comme électrodes positives. Il n'y a pas de lithium métallique, seulement des ions lithium. Il s'agit d'une batterie lithium-ion. Les batteries au lithium-ion se réfèrent au terme général pour les batteries avec des composés intégrés à des ions au lithium comme matériaux d'électrode positifs. Le processus de charge et de décharge des batteries au lithium-ion est le processus d'incorporation et de désincréation des ions au lithium. Dans le processus d'incorporation et de décortiquement des ions lithium, l'incorporation et la déséquilibre d'électrons équivalents aux ions de lithium sont également accompagnés (il est habituel d'utiliser l'incorporation ou le dé-incliner pour représenter l'électrode positive, et l'insertion ou la désertion pour représenter l'électrode négative). Dans le processus de charge et de décharge, les ions lithiums sont intégrés \/ dérangés et insérés \/ désertés d'avant en arrière entre les électrodes positives et négatives, qui est très bien appelée une "batterie de chaise à bascule".
Lorsque la batterie est chargée, les ions lithium sont générés sur l'électrode positive de la batterie et les ions lithium générés se déplacent vers l'électrode négative à travers l'électrolyte. Le carbone comme électrode négative a une structure en couches et a de nombreuses micropores. Les ions lithium qui atteignent l'électrode négative sont intégrés dans les micropores de la couche de carbone. Plus les ions lithium sont intégrés, plus la capacité de charge est élevée. De même, lorsque la batterie est déchargée (c'est-à-dire le processus d'utilisation de la batterie), les ions lithiums intégrés dans la couche de carbone de l'électrode négative sont libérés et remontent à l'électrode positive. Plus il y a d'ions lithiums qui reviennent à l'électrode positive, plus la capacité de décharge est élevée.
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Généralement, le courant de charge des batteries au lithium est défini entre 0. 2c et 1c. Plus le courant est grand, plus la charge est importante et plus la chaleur de la batterie est grande. De plus, si le courant est trop grand, la capacité ne sera pas pleine, car la réaction électrochimique à l'intérieur de la batterie prend du temps. Tout comme verser de la bière, si vous le versez trop vite, il produira de la mousse et ne sera pas plein.

Partie 5: Composants

Coque en acier \/ coque en aluminium \/ séries cylindriques \/ emballages souples
Électrode positive: Le matériau actif est généralement l'oxyde de manganèse au lithium ou l'oxyde de cobalt au lithium, le matériau d'oxyde de manganèse de cobalt en nickel et les vélos électriques utilisent généralement l'oxyde de manganèse de cobalt de nickel (communément appelé ternaire) ou le ternaire + une petite quantité d'oxyde de manganèse au lithium. L'oxyde de manganèse au lithium pur et le phosphate de fer au lithium s'évanouissent progressivement en raison d'une grande taille, d'une mauvaise performance ou d'un coût élevé. Le collecteur de courant conducteur utilise une feuille d'aluminium électrolytique avec une épaisseur de microns 10-20.
Diaphragme: un film polymère spécialement formé avec une structure microporeuse qui permet aux ions lithium de passer librement, mais les électrons ne peuvent pas passer.
Électrode négative: le matériau actif est du graphite ou du carbone avec une structure de type graphite, et le collecteur de courant conducteur utilise du papier de cuivre électrolytique avec une épaisseur de microns 7-15.
Électrolyte: solvants carbonatés qui dissolvent l'hexafluorophosphate au lithium, tandis que les polymères utilisent des électrolytes en gel.
Coquille de batterie: divisée en coque en acier (rarement utilisée dans les batteries carrées), coque en aluminium, coque en fer nickel (utilisée dans les batteries cylindriques), film en aluminium-plastique (emballage doux), etc., ainsi que le capuchon de la batterie, qui est également la borne positive et négative de la batterie.

Partie 6: Composition de la batterie

Comme toutes les batteries chimiques, les batteries lithium-ion sont également composées de trois parties: électrode positive, électrode négative et électrolyte. Les matériaux d'électrode sont tous des ions lithium qui peuvent être intégrés (insérés) \/ dé-emballés (désertés).
6.1 Matériaux d'électrode positive
1) Matériaux d'électrode positive
Il existe de nombreux matériaux d'électrode positive en option et les produits grand public utilisent principalement du phosphate de fer au lithium. Comparaison de différents matériaux d'électrode positive:

2) Réaction d'électrode positive
Les ions lithium sont insérés lors de la décharge et désintercalés pendant la charge.
Lors de la charge: lifepo4 → li 1- xfepo 4 + xli ++ xe-
Lors de la décharge: li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → lifepo4
6.2 Matériaux d'électrode négatifs
1) Matériaux d'électrode négatifs
Le graphite est principalement utilisé. De nouvelles recherches ont révélé que les Titanes peuvent être un meilleur matériau. Réaction d'électrode négative: les ions lithium sont insérés pendant la charge et désintercalés pendant la décharge.
Lors de la charge: xli ++ xe -+ 6 c → lixc6
Lors de la décharge: lixc6 → xli ++ xe -+ 6 c
Généralement divisé en catégories suivantes:
Matériaux d'électrode négative en carbone: les matériaux d'électrode négatifs réellement utilisés dans les batteries lithium-ion sont essentiellement des matériaux en carbone, tels que le graphite artificiel, le graphite naturel, les microbilles de carbone mésophase, le coke de pétrole, la fibre de carbone, le carbone à résine pyrolytique, etc.
Matériaux d'électrodes négatifs à base d'étain: les matériaux d'électrode négative à base d'étain peuvent être divisés en deux types: l'oxyde d'étain et l'oxyde composite à base d'étain. L'oxyde se réfère aux oxydes de divers états de valence d'étain métallique. Il n'y a pas de produits commerciaux.
Matériaux d'électrode négatifs sur le nitrure de métal de transition contenant du lithium: pas de produits commerciaux.
Matériaux d'électrodes négatives en alliage: y compris les alliages à base d'étain, les alliages à base de silicium, les alliages à base de germanium, les alliages à base d'aluminium, les alliages à base d'antimoine, les alliages à base de magnésium et autres alliages, pas de produits commerciaux.
Matériaux d'électrode négative à l'échelle nano: tubes nano en carbone, matériaux en alliage nano.
Les nano-matériaux sont des matériaux de nano-oxyde: selon les dernières tendances de développement du marché de l'industrie de la batterie au lithium, la nouvelle industrie énergétique en 2009, de nombreuses entreprises ont commencé à utiliser l'oxyde de nano-titane et l'oxyde de silicium nano pour ajouter aux tubes traditionnels du graphite, de l'oxyde d'étain et de nano-carbone, améliorant considérablement la capacité de charge et de décharge et de décharge et de battements de lithium.
6.3 électrolyte
Soluté: les sels de lithium sont souvent utilisés, comme le perchlorate de lithium (LICLO4), le lithium hexafluorophosphate (LIPF6) et le tétrafluoroborate de lithium (LIBF4).
Solvant: Étant donné que la tension de travail de la batterie est beaucoup plus élevée que la tension de décomposition de l'eau, les solvants organiques sont souvent utilisés dans les batteries lithium-ion, comme l'éther, l'éthylène carbonate, le propylène carbonate, le diéthyl carbonate, etc. passivation. Les solvants organiques apportent également des problèmes de sécurité tels que l'inflammabilité et l'explosion.
6.4 revêtement conducteur
Feuille d'aluminium à revêtement en carbone pour batteries (revêtement conducteur)
Avantages de la papier d'aluminium enduit de carbone dans les applications de batterie au lithium-ion
Inhiber la polarisation de la batterie, réduire les effets thermiques et améliorer les performances du taux;
Réduire la résistance interne de la batterie et réduire considérablement l'augmentation dynamique de la résistance interne pendant le processus de cycle;
Haute cohérence, augmenter la durée de vie du cycle de la batterie;
Adhésion élevée entre les substances actives et les collectionneurs actuels, réduisant le coût de fabrication des pièces de poteaux;
Protéger le collecteur actuel contre le corrod par l'électrolyte;
Améliorer les performances de traitement du phosphate de fer au lithium et des matériaux de titanate de lithium.
L'utilisation de revêtements fonctionnels pour traiter la surface du substrat conducteur de la batterie est une innovation technologique révolutionnaire. La feuille d'aluminium à revêtement en carbone \/ feuille de cuivre est pour enrober uniformément et finement le graphite nano-conducteur dispersé et les particules recouvertes de carbone sur le papier d'aluminium \/ feuille de cuivre. Il peut fournir une excellente conductivité statique et recueillir le microcourant du matériau actif, réduisant ainsi considérablement la résistance de contact entre le matériau d'électrode positif \/ négatif et le collecteur, et peut améliorer l'adhésion entre les deux, ce qui peut réduire la quantité de liant utilisé, améliorant ainsi considérablement les performances globales de la batterie. Le revêtement est divisé en deux types: à base d'eau (système aqueux) et à base d'huile (système de solvant organique).

Partie 7: Avantages et inconvénients

7.1 Avantages
Haute tension: la tension de fonctionnement d'une seule cellule est aussi élevée que 3. 7-3. 8v (3.2v pour le phosphate de fer au lithium), qui est 3 fois celle des batteries Ni-Cd et Ni-MH.
Une grande énergie spécifique: l'énergie spécifique réelle qui peut être obtenue est d'environ 555Wh \/ kg, c'est-à-dire que le matériau peut atteindre une capacité spécifique de plus de 150mAh \/ g (3-4 fois celle de Ni-Cd, 2-3 fois celle de Ni-MH), qui est proche d'environ 88% de sa valeur théorique.
Life à cycle long: Généralement, il peut atteindre plus de 500 fois, voire plus de 1000 fois, et le phosphate de fer au lithium peut atteindre 8000 fois. Pour les appareils électriques avec une petite décharge de courant, la durée de vie de la batterie doublera la compétitivité de l'appareil.
Bonnes performances de sécurité: pas de pollution, pas d'effet de mémoire. En tant que prédécesseur de Li-ion, les batteries au lithium ont réduit leurs zones d'application car le lithium métallique est facile à former des dendrites et un court-circuit: le Li-ion ne contient pas de cadmium, de plomb, de mercure et d'autres éléments qui polluent l'environnement; Un inconvénient majeur des batteries Ni-CD dans certains processus (comme le frittage) est «l'effet de mémoire», qui restreint sérieusement l'utilisation des batteries, mais Li-ion n'a pas du tout ce problème.
Auto-décharge: le taux d'auto-décharge des batteries Li-ion entièrement chargés stockées à température ambiante pendant un mois est d'environ 2%, ce qui est beaucoup plus bas que le 25-30% de Ni-Cd et 30-35% de Ni-MH.
Charge rapide: la capacité de la charge de 1C pendant 30 minutes peut atteindre plus de 80% de la capacité nominale, et la batterie de phosphore fer peut être chargée à 90% de la capacité nominale en 10 minutes.
Température de fonctionnement: la température de fonctionnement est -25 ~ 45 degrés. Avec l'amélioration de l'électrolyte et de l'électrode positive, il devrait être étendu à -40 ~ 70 degrés.
7.2 Inconvénients
Vieillissement: Contrairement à d'autres batteries rechargeables, la capacité des batteries lithium-ion baisse lentement, ce qui est lié au nombre de fois utilisé et à la température. Ce phénomène de déclin peut être exprimé par une diminution de la capacité ou une augmentation de la résistance interne. Parce qu'il est lié à la température, il est plus susceptible d'être reflété dans les produits électroniques avec un courant de travail élevé. Remplacer le graphite par le titanate de lithium semble prolonger la vie. La relation entre la température de stockage et le taux de perte de capacité permanente: