Quelle est la classification des lith
piles au ium ?
Les batteries au lithium sont principalement divisées en trois catégories
selon les scénarios d'application
, qui sont également les trois sections principales de cet article :
piles grand public
,
batteries d'alimentation
, et
batteries de stockage d'énergie
.
I. Piles grand public
Principalement utilisé dans les produits 3C tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables et les tablettes, mettant l'accent sur la portabilité, la densité énergétique élevée et les capacités de charge rapide.
1. Classification : Les batteries secondaires au lithium sont les principaux produits des batteries grand public actuelles
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Piles primaires : piles zinc-manganèse, piles alcalines zinc-manganèse, piles primaires au lithium (lithium-dioxyde de manganèse ; lithium-chlorure de thionyle ; lithium-disulfure de fer).
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Batteries secondaires : batteries plomb-acide, batteries nickel-chrome, batteries nickel-hydrure métallique, batteries lithium-ion.
2. Trois types de conditionnement de piles grand public
Les batteries au lithium grand public utilisent actuellement principalement des batteries au lithium polymère.
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Projet
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Batterie prismatique
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Batterie cylindrique
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Batterie polymère
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Boîtier de batterie
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Boîtier en acier ou en aluminium
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Boîtier en acier ou en aluminium
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Film aluminium-plastique
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Avantages
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Faible résistance interne de la batterie ; processus simple du pack ; grande capacité de la cellule
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Processus de production mature, rendement et régularité élevés ; sécurité élevée ; vastes domaines d'application ; densité énergétique cellulaire élevée
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Mince, léger, faible résistance interne ; densité énergétique élevée du pack ; excellentes performances de sécurité, faible risque d'explosion ; conception flexible, adaptable à n'importe quelle forme.
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Inconvénients
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Faible cohérence, faible standardisation ; exigences élevées en matière de contrôle de sécurité
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Coût élevé du pack ; exigences élevées en matière de batterie ; exigences élevées en matière de connexion et de gestion de la batterie.
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Faible résistance mécanique ; coût de fabrication élevé.
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Domaines d'application
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Véhicules de tourisme, véhicules utilitaires, stockage d'énergie
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Véhicules de tourisme, outils électriques, vélos électriques, véhicules logistiques, maisons intelligentes, stockage d'énergie
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Produits numériques 3C, véhicules de tourisme, stockage d'énergie
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3. Autres formes
Les piles bouton se divisent en deux catégories : les piles bouton à coque dure et les piles bouton à coque souple. Les pôles internes des piles bouton à coque dure sont laminés et conditionnés dans des coques en acier ou en aluminium ; les piles bouton à coque souple sont bobinées et conditionnées dans un film plastique aluminium. Les piles bouton sont principalement utilisées dans les casques Bluetooth, les écouteurs de sommeil et les objets connectés.
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Batteries au lithium de forme spéciale
Avec l'augmentation de la taille des écrans de smartphones et la recherche de légèreté et de finesse, les fabricants de téléphones portables utilisent des batteries à double cellule et de forme spéciale pour optimiser l'espace interne. Par exemple, l'iPhone XS Max utilise une structure à double cellule, tandis que les iPhone 11Pro/13Pro utilisent une structure de batterie en L. L'essor des bracelets et bagues connectés impose également de nouvelles exigences en matière de forme des batteries, notamment l'utilisation de batteries incurvées dans les bracelets connectés.
4. Applications en aval des batteries au lithium grand public
(1) Ordinateurs portables
Les smartphones, tablettes et autres produits ont eu un impact sur les ventes d'ordinateurs portables, mais la demande de remplacements, nouveaux ou existants, persiste. Face à l'exigence croissante de portabilité des ordinateurs portables, les batteries au lithium évoluent vers des modèles plus légers et plus fins.
(2) Tablettes électroniques
Les tablettes se situent entre les ordinateurs et les smartphones. Grâce à leur portabilité, leur simplicité d'utilisation et leur esthétique soignée, leur marché connaît une croissance stable.
(3) Smartphones
Le marché des smartphones est mature, le cycle de remplacement est prolongé et le marché est relativement saturé. L'inflation dans les marchés émergents comme l'Asie-Pacifique, le Moyen-Orient, l'Afrique et l'Amérique latine a ralenti, stimulant dans une certaine mesure la croissance des expéditions de téléphones mobiles.
(4) Téléphones mobiles IA
Intel, Qualcomm, Lenovo et Xiaomi développent principalement des smartphones et des PC combinant IA et IA. L'IA de bout en bout pourrait marquer le début d'une nouvelle ère. Par exemple, les grands modèles de smartphones équipés d'IA générative, tels que le Samsung Galaxy S24, le Meizu 21 Pro, le Xiaomi 14 Ultra et l'OPPO FindX7, ont tous été lancés au premier semestre 2024.
(5) Appareils portables
Les montres intelligentes, les casques Bluetooth, les lunettes intelligentes, etc., les appareils portables ont un grand potentiel de croissance en tant qu'entrée dans l'Internet des objets.
(6) Marché des outils électriques
L'industrie des machines, la décoration des bâtiments, l'aménagement paysager, etc., et les applications futures seront dans les maisons intelligentes, le stockage d'énergie portable, les interventions d'urgence et d'autres domaines.
(7) Deux-roues électriques
La croissance des expéditions a ralenti. La Chine est le premier exportateur de deux-roues électriques et ses exportations continuent d'augmenter.
L'Amérique du Nord, l'Europe et l'Asie du Sud-Est sont les principales destinations des exportations chinoises de véhicules électriques. Les deux-roues électriques chinois sont exemptés de droits de douane lorsqu'ils sont exportés vers les États-Unis. En 2023, les ventes chinoises de deux-roues électriques aux États-Unis ont atteint 4,564 millions d'unités, soit plus de 30 % du total des exportations. De nombreux pays d'Asie du Sud-Est ont mis en place des politiques de conversion du pétrole à l'électricité afin d'encourager les marques étrangères à implanter des usines sur leur territoire.
(8) Drones
Les drones sont largement utilisés dans la photographie aérienne, la photographie, l'agriculture, l'arpentage et la cartographie, la météorologie, les communications, la sécurité publique et d'autres domaines.
Avec plus de 15 ans d'expérience dans l'industrie des batteries au lithium, ACEY bénéficie de solides capacités de R&D et d'une vaste expérience de fabrication, lui permettant de fournir des batteries hautes performances et haute sécurité.
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dans des applications telles que les ordinateurs portables, les téléphones portables, les deux-roues électriques et les drones, etc.
II. Batteries d'alimentation
Utilisés dans des véhicules tels que les véhicules électriques, ils doivent répondre aux exigences de puissance de sortie élevée et de longue autonomie, ainsi qu'à la durée de vie du cycle et à la sécurité.
1. Classification
Les batteries de puissance se divisent principalement en batteries ternaires et batteries lithium-fer-phosphate, selon les différents matériaux d'électrode positive. Selon les différents modes et formes d'emballage, on distingue les batteries prismatiques, les batteries polymères et les batteries cylindriques. Les matériaux ternaires désignent l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-manganèse (NCM) ou l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA). La principale différence entre les structures souples et les structures carrées et cylindriques réside dans la forme de la coque et le procédé de fabrication.
2. Historique du développement des batteries électriques
Aux débuts du développement de l'industrie, lorsque la densité énergétique était une préoccupation majeure, les cathodes ternaires dominaient en raison de leur densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium-fer et de leur autonomie plus longue. Parallèlement, les matériaux ternaires ont également montré une tendance à une teneur en nickel plus élevée. Le procédé de conditionnement des batteries souples a rapidement gagné des parts de marché grâce à sa densité énergétique élevée et à son excellente sécurité.
Au cours des phases intermédiaires de développement de l'industrie, le lithium fer phosphate (LiFePO4) est devenu le matériau dominant grâce à son excellente sécurité et son faible coût. Grâce aux technologies CTP et sans module, l'efficacité de l'assemblage des batteries a considérablement augmenté, améliorant ainsi leur autonomie. De plus, les batteries à lames optimisent l'utilisation de l'espace et la sécurité, réduisant ainsi le coût des batteries. Les conceptions structurelles sans module (CTP et CTC) améliorent également l'efficacité de l'assemblage des batteries.
L'industrie est désormais entrée dans une phase de maturité, avec des voies technologiques de plus en plus diversifiées et une nouvelle tendance vers la charge rapide haute tension. Les batteries répondent généralement à l'exigence d'autonomie de 600 km, l'accent étant mis sur l'amélioration de l'efficacité et de la sécurité de la charge. À cette époque, le LiFePO4 a retenu l'attention grâce à sa densité énergétique élevée et à son excellente sécurité. Les batteries semi-solides et les collecteurs de courant composites, entre autres matériaux permettant d'améliorer les performances des batteries, ont également gagné en popularité. Parallèlement, l'électrode négative silicium-carbone en nano-silicium offre de bonnes performances de charge rapide et une densité énergétique élevée. En termes de technologie de conditionnement, les améliorations des technologies CTC et CTB augmentent l'espace sur l'axe Z dans le véhicule, améliorent l'endurance et réduisent les coûts.
3. Chaîne industrielle
(1) Matériaux de cathode
Le phosphate de fer ternaire et le phosphate de fer lithium sont les deux principaux
matériaux de cathode
Pour les batteries de puissance. Le ternaire peut être divisé en nickel-cobalt-manganèse NCM et nickel-cobalt-aluminium NCA.
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Phosphate de fer et de lithium
Poussé par la grande prospérité du marché en aval et le fait que le phosphate de fer lithium surpasse les batteries ternaires en termes de densité énergétique et de performances de charge rapide, ses avantages en termes de sécurité et de coût sont importants, ce qui en fait le matériau principal des électrodes positives.
L'un des moyens d'améliorer les performances des matériaux d'électrode positive au lithium fer phosphate est d'augmenter la densité de compactage, qui correspond à la masse de matière active contenue dans une électrode unitaire dans des conditions de pression spécifiques. Cette densité affecte directement la capacité spécifique de l'électrode, l'efficacité de charge et de décharge, la résistance interne et les performances de la batterie en cycle. Les batteries à charge rapide nécessitent de réduire l'épaisseur de l'électrode pour diminuer la résistance interne et augmenter la vitesse de charge. L'augmentation de la densité de compactage permet de maintenir, voire d'augmenter, la densité énergétique avec une épaisseur d'électrode plus fine.
Le volume d’expédition d’électrodes positives ternaires devrait atteindre 750 000 tonnes en 2024.
Le marché des matériaux pour électrodes positives ternaires est fragmenté et la concurrence entre les fabricants est féroce. En 2023, la part de marché du CR3 n'était que de 41 %. La capacité de production d'électrodes positives ternaires est progressivement réduite et la concentration du secteur s'est encore améliorée.
(2)
Matériaux d'anode
Les matériaux d'anode se divisent en deux catégories : les matériaux carbonés et les matériaux non carbonés. Les matériaux carbonés comprennent les matériaux graphites tels que le graphite naturel et le graphite artificiel. La structure stratifiée des électrodes négatives en graphite favorise l'insertion et la désinsertion des ions lithium. Les matériaux non carbonés comprennent les matériaux à base de silicium, le titanate de lithium, les matériaux à base d'étain, les nitrures, etc. Les matériaux à base de silicium sont considérés comme la prochaine génération de technologies en raison de leur capacité spécifique théorique élevée (4 200 mAh/g), bien supérieure à la capacité réelle du graphite (360 mAh/g). De plus, ils sont riches en ressources naturelles, peu coûteux et respectueux de l'environnement.
(3)
Électrolyte de batterie
L'électrolyte est composé de sel de lithium, de solvant et d'additifs. Selon le rapport massique, le sel de lithium représente environ 10 à 15 % de l'électrolyte, le solvant organique 80 % et les additifs 5 à 10 %. Le soluté le plus utilisé actuellement est l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6). Différents rapports d'additifs ont un impact significatif sur les performances de l'électrolyte, tels que les additifs filmogènes, les additifs de protection contre les surcharges, les additifs hautes/basses températures, les additifs ignifuges et les additifs de type débit.
(4)
Séparateur
Le séparateur est un composant essentiel des batteries au lithium et un matériau clé qui présente les plus grandes barrières techniques de la chaîne industrielle. Ses principales fonctions sont d'isoler les électrodes positive et négative afin d'éviter les courts-circuits et de faciliter la migration des ions lithium pendant la charge et la décharge. Le séparateur a un impact significatif sur la résistance, la capacité et la durée de vie de la batterie, déterminant ainsi sa sécurité.
Les séparateurs traditionnels sont des séparateurs en polyoléfine, comprenant principalement du polypropylène, du polyéthylène et des composites polypropylène-polyéthylène.
Les séparateurs à revêtement humide représentent l'avenir du développement des séparateurs. Plus coûteux que les séparateurs à revêtement sec, ils offrent une porosité et une perméabilité à l'air améliorées, permettant des séparateurs plus fins et plus légers. La technologie de revêtement peut améliorer la résistance à la perforation et la sécurité des séparateurs à revêtement humide. Les matériaux de revêtement sont variés, notamment la céramique, le PVDF et l'aramide.
4. Orientation future du développement technologique
(1) Batterie à semi-conducteurs
Il s'agit de l'utilisation d'électrolytes solides pour remplacer l'électrolyte et le diaphragme des batteries au lithium traditionnelles afin d'assurer la transmission des ions et le stockage de charge. Selon le pourcentage massique d'électrolyte, les batteries à l'état solide se divisent en : batteries semi-solides (teneur en électrolyte de 5 % à 10 % ); batteries quasi-solides (0 % à 5 % ); batteries à l'état solide (0 % d'électrolyte). Autrement dit, les électrodes positives et négatives ainsi que les électrolytes des batteries entièrement solides sont tous des matériaux solides.
Les électrolytes solides sont la clé technique des batteries solides. L'électrolyte solide idéal doit présenter une conductivité électronique négligeable, une excellente conductivité lithium-ion, une bonne compatibilité chimique, une bonne stabilité et des caractéristiques permettant une production à grande échelle à faible coût. Les électrolytes actuels comprennent : les sulfures, les oxydes, les halogénures métalliques et les polymères.
Les matériaux d'électrode négative de batterie à l'état solide comprennent principalement trois catégories : l'électrode négative au lithium métallique, l'électrode négative au groupe carbone et l'électrode négative à l'oxyde.
Les batteries au lithium liquide traditionnelles utilisent principalement des matériaux du groupe du carbone (comme le graphite) comme électrodes négatives, mais leur capacité spécifique est limitée, et les perspectives de développement futur sont limitées. Les matériaux d'électrode négative à base de silicium présentent une capacité spécifique théorique élevée et constituent une voie importante pour l'itération des systèmes de matériaux d'électrode négative. Cependant, ces matériaux subissent une forte expansion volumique lors des charges et des décharges, ce qui dégrade leurs performances cycliques. Ceci peut être amélioré grâce au revêtement en carbone, à la nanomatérialisation et à d'autres moyens techniques. Les électrodes négatives en lithium métallique sont considérées comme la solution idéale en raison de leur capacité spécifique théorique extrêmement élevée, mais elles rencontrent des difficultés en termes de croissance des dendrites de lithium et de stabilité chimique.
Les matériaux d'électrode positive des batteries à l'état solide sont principalement concentrés dans les électrodes positives ternaires à haute teneur en nickel, l'oxyde de lithium nickel manganèse et les voies à base de manganèse riches en lithium.
(2) Recyclage des batteries électriques
Actuellement, les méthodes de recyclage des batteries sont principalement divisées en utilisation en cascade et recyclage par démontage.
L'utilisation en cascade désigne le traitement des batteries hors d'usage à forte capacité résiduelle, répondant ainsi aux besoins d'une utilisation secondaire, comme le stockage d'énergie, les véhicules à basse vitesse, les sous-stations de base, etc. En général, les batteries lithium-fer-phosphate présentent une bonne durée de vie et une bonne stabilité thermique, ce qui les rend plus adaptées. Le recyclage par démontage désigne l'utilisation des batteries usagées grâce à une technologie de traitement permettant de récupérer les métaux tels que le nickel, le cobalt, le manganèse, le cuivre, l'aluminium et le lithium, puis de les recycler. Les batteries ternaires présentent une teneur élevée en métaux rares, une valeur de recyclage élevée, une faible durée de vie et une faible stabilité thermique, ce qui les rend plus adaptées.
Lorsque la capacité d'une batterie d'alimentation tombe en dessous de 80 %, elle ne peut être que recyclée. La batterie recyclée doit subir des étapes de prédécharge, de démontage, de séparation et d'autres prétraitements. Il existe actuellement trois méthodes de recyclage : la pyrolyse, le recyclage par voie humide et le recyclage biologique. Le recyclage par voie humide consiste à utiliser une solution spécifique pour lixivier le matériau de l'électrode positive afin que le métal précieux soit dissous dans le solvant sous forme d'ions, puis ces ions métalliques sont séparés et purifiés par précipitation chimique, extraction par solvant et autres méthodes. Le recyclage par voie humide est également nécessaire pour la séparation et l'extraction des éléments métalliques lors de la dernière étape de la pyrolyse. Le recyclage biologique présente la particularité d'un long cycle de culture.
(3) Collecteur de courant composite
Le traditionnel
collecteur de courant de batterie
Il s'agit d'une feuille de cuivre pur ou d'aluminium. Le collecteur de courant composite est un nouveau matériau fabriqué par placage uniforme de cuivre à la surface du substrat, par pulvérisation cathodique magnétron ou autres procédés, sur des films plastiques (PET, PP, etc.). En cas de court-circuit de la batterie, la couche de polymère au centre du collecteur de courant composite fond et produit un court-circuit, ce qui permet de supprimer le courant de court-circuit, de contrôler l'emballement thermique de la batterie et de résoudre fondamentalement le problème d'explosion et d'incendie des cellules. De plus, la feuille de cuivre composite est plus économique et plus légère que la feuille de cuivre traditionnelle, augmentant la densité énergétique de la batterie de plus de 5 %.
III. Batteries de stockage d'énergie
Utilisées dans des scénarios tels que l'écrêtement des pics de consommation du réseau, le stockage d'énergie domestique et le stockage d'énergie commercial et industriel, ces batteries nécessitent des temps de charge et de décharge longs (plus de 2 heures), privilégient la durée de vie du cycle et la rentabilité, et ont des exigences de densité énergétique plus faibles.
Les données indiquent que les expéditions de batteries au lithium de stockage d'énergie dépasseront 320 GWh en 2024, avec un taux de croissance supérieur à 50 %. En termes de structure des expéditions, les cellules de stockage d'énergie resteront la principale source d'expéditions, représentant plus de 80 %. Parmi celles-ci, les expéditions de batteries de stockage d'énergie ont atteint environ 280 GWh, avec un taux de croissance supérieur à 65 % ; les expéditions de batteries de stockage domestiques ont atteint environ 26 GWh, avec un taux de croissance supérieur à 30 % ; et les expéditions de batteries de stockage d'énergie commerciales et industrielles ont atteint environ 10 GWh, avec un taux de croissance supérieur à 40 %. Les batteries au lithium fer phosphate représentent plus de 90 % des cellules expédiées et constituent la technologie dominante.
Les livraisons mondiales de batteries au lithium pour le stockage d'énergie devraient augmenter de 55 % en glissement annuel en 2024, les entreprises chinoises contribuant à plus de 90 % de la capacité de production mondiale. Si l'on considère les livraisons de batteries de stockage d'énergie destinées aux ménages, les batteries de 50 à 100 Ah sont les plus répandues sur le marché, 80 % nécessitant une durée de vie de 6 000 cycles, et les produits haut de gamme atteignant 10 000 cycles.
Actuellement, les principaux fabricants de cellules 280 Ah sont en transition vers des cellules 314 Ah. Selon les données du GGII, le taux de transition de capacité a atteint 52 %. Le boîtier, la structure et les dimensions des deux batteries restant inchangés, les grandes entreprises peuvent continuer à utiliser des lignes de production 280 Ah, avec des modifications principalement au niveau des procédés et des matériaux.
Acey Nouvelle Énergie
est spécialisée dans la recherche et la fabrication d'équipements haut de gamme pour batteries lithium-ion. Notre activité couvre un ensemble complet d'équipements d'assemblage de batteries cylindriques, prismatiques et polymères, des systèmes de test de cellules et de blocs-batteries, des machines de fabrication à l'échelle laboratoire pour piles boutons, piles cylindriques et piles à poche, des équipements de test de sécurité environnementale, des équipements de production de matières premières et de supercondensateurs, etc.
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