Quelle est la différence entre un séparateur et un électrolyte ?
Dans les batteries lithium-ion, l'électrolyte et le séparateur, associés à la cathode et à l'anode, constituent les quatre matériaux essentiels. Si la cathode et l'anode déterminent la limite supérieure de la densité énergétique, l'électrolyte peut être considéré comme le « sang » de la batterie, tandis que le séparateur agit comme une « soupape de sécurité » garantissant son bon fonctionnement. Ensemble, ils déterminent la circulation efficace, sûre et stable des ions lithium à l'intérieur de la batterie, jouant un rôle déterminant dans ses performances et sa fiabilité globales.
I. Le « sang » des batteries au lithium — l’électrolyte
Comme chacun sait, l'électrolyte est le « sang » d'une batterie au lithium. Ce n'est qu'après l'injection d'électrolyte qu'une batterie devient véritablement fonctionnelle ; sinon, elle n'est qu'une enveloppe vide, sans substance réelle. On pourrait dire qu'au moment où l'électrolyte est injecté, c'est comme si un corps recevait une âme, insufflant instantanément la vie à la batterie.
L'électrolyte est un liquide incolore et transparent, composant essentiel des batteries lithium-ion. Avec la cathode, l'anode et le séparateur, il constitue l'un des quatre matériaux principaux de ces batteries. Son rôle premier est de permettre le transport des ions lithium au sein de la batterie, rendant ainsi possibles les processus de charge et de décharge.
1. Composition de l'électrolyte
Le
électrolyte de batterie lithium-ion
Il est principalement composé de solvants organiques, de sels de lithium et d'additifs.
Il s'agit généralement de solvants à base de carbonate, tels que le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate d'éthyle et de méthyle (EMC), le carbonate de diéthyle (DEC) et le carbonate d'éthylène (EC). En pratique, on mélange souvent plusieurs solvants afin d'optimiser la conductivité ionique, la viscosité et les performances à basse température.
Les sels de lithium les plus courants comprennent l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF₆), le bis(fluorosulfonyl)imide de lithium (LiFSI) et le bis(trifluorométhanesulfonyl)imide de lithium (LiTFSI). Parmi eux, le LiPF₆ demeure le plus utilisé dans les applications commerciales.
Pour garantir la stabilité de l'électrolyte, améliorer l'efficacité de charge et de décharge, accroître la durée de vie des cycles ou répondre à des exigences fonctionnelles spécifiques, une petite quantité d'additifs est généralement incorporée. Voici quelques exemples typiques :
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Additifs filmogènes : carbonate de fluoroéthylène (FEC), carbonate de vinylène (VC)
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Additifs pour améliorer les performances à basse température : DTD
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Additifs ignifuges : composés à base de phosphate
Bien qu'utilisés en petites quantités, les additifs ont souvent un impact significatif sur les performances de la batterie.
2. Procédé de production d'électrolytes
Le procédé de production d'électrolytes est relativement simple, mais il exige un contrôle environnemental strict et une gestion précise du processus.
Conformément au procédé, les solvants ayant subi un traitement de déshydratation rigoureux sont d'abord introduits, dans les proportions requises, dans un réacteur de mélange sous atmosphère inerte (généralement de l'azote). Un refroidisseur est ensuite activé pour refroidir le mélange de solvants. Une fois la température appropriée atteinte, le sel de lithium est ajouté lentement sous agitation afin d'assurer sa dissolution complète.
Au cours de ce processus, la dissolution des sels de lithium, notamment du LiPF₆, est exothermique, ce qui entraîne une élévation de la température de la solution. Il est donc impératif de refroidir la solution avant et pendant l'ajout du sel. Ce dernier doit être ajouté lentement et par petites portions, sous surveillance constante de la température afin d'éviter toute surchauffe susceptible d'altérer la qualité de l'électrolyte.
Une fois le sel de lithium complètement dissous, les additifs nécessaires sont introduits et soigneusement mélangés. Après vérification de la conformité aux spécifications par échantillonnage et analyses, l'électrolyte est conditionné sous pression dans des conteneurs en acier inoxydable et laissé au repos avant son conditionnement et son stockage définitifs.
3. Paramètres techniques clés de l'électrolyte
Les spécifications de l'électrolyte peuvent varier en fonction de sa formulation et des exigences du client. Les paramètres techniques courants sont les suivants :
La conductivité ionique est l'une des propriétés les plus importantes d'un électrolyte, car elle influe directement sur le transport des ions lithium au sein de la batterie. Une conductivité élevée permet des cycles de charge et de décharge rapides et à courant élevé.
La conductivité est fortement influencée par la concentration en sel de lithium et la composition du solvant. Typiquement, la conductivité de l'électrolyte se situe entre 5 et 15 mS/cm.
La densité est principalement influencée par la composition du solvant et la concentration en sel de lithium. Une proportion plus élevée de solvants denses ou une concentration plus élevée en sel entraînent une densité d'électrolyte plus importante. La plage typique est de 1,0 à 1,5 g/mL.
L'humidité est un paramètre crucial, généralement due à un séchage insuffisant des matières premières ou à des problèmes lors de la transformation. Un excès d'humidité peut entraîner une réaction des sels de lithium avec l'eau, formant des espèces acides qui dégradent les performances de la batterie.
La teneur en humidité doit généralement être inférieure à 10 ppm, avec une limite maximale de 20 ppm.
Une acidité élevée peut corroder les composants internes de la batterie et déclencher des réactions secondaires, entraînant une perte de capacité et de mauvaises performances de cyclage.
Un électrolyte de qualité doit être incolore et transparent. Une utilisation incorrecte ou certains additifs peuvent entraîner une décoloration. Les fabricants de batteries ne sont généralement pas trop exigeants quant à la couleur, et les valeurs inférieures à 50 sont généralement acceptables ; les valeurs supérieures sont considérées comme défectueuses.
La viscosité influe sur la mobilité des ions lithium. Idéalement, une faible viscosité est préférable. Les électrolytes à forte teneur en sel de lithium ou en EC ont tendance à être plus visqueux, tandis que ceux riches en carbonates linéaires sont généralement moins visqueux.
Pour les applications de pointe, les impuretés ioniques, notamment les ions métalliques comme le cuivre et le fer, sont strictement contrôlées. Ces impuretés peuvent déclencher des réactions internes et présenter des risques pour la sécurité ; des limites strictes sont donc imposées.
Outre le respect des spécifications ci-dessus, un électrolyte idéal devrait présenter une constante diélectrique élevée, une large fenêtre électrochimique, une bonne stabilité électrochimique et thermique, un faible coût, une non-toxicité et une grande sécurité. Cependant, il est souvent difficile d'obtenir simultanément ces propriétés. Par exemple, les électrolytes à conductivité et constante diélectrique élevées ont généralement une viscosité plus élevée, et inversement.
Ces dernières années, la recherche d'une densité énergétique plus élevée et l'émergence des batteries tout-solide ont eu un certain impact sur l'industrie des électrolytes. Cependant, compte tenu de l'état actuel de la technologie des batteries tout-solide, il faudra encore beaucoup de temps avant qu'elles ne puissent remplacer complètement les batteries lithium-ion liquides. Dans un avenir proche, les batteries lithium-ion liquides resteront dominantes et le marché des électrolytes devrait donc demeurer relativement stable.
II. La « soupape de sécurité » des batteries au lithium — Séparateur
Le
séparateur de batterie lithium-ion
L'anode est un autre composant indispensable des batteries au lithium et l'un de leurs quatre principaux matériaux. Il s'agit généralement d'un film polymère blanc et poreux, composé de polyéthylène (PE) ou de polypropylène (PP). Sa fonction première est de séparer physiquement la cathode et l'anode, empêchant ainsi les courts-circuits internes.
1. Fonctions du séparateur
-
Pour isoler la cathode et l'anode, empêchant ainsi les courts-circuits internes
-
Pour créer des voies de transport pour les ions lithium pendant la charge et la décharge (en bloquant les électrons tout en laissant passer les ions).
2. Types et procédés de fabrication des séparateurs
Selon leur procédé de fabrication, les séparateurs sont principalement classés en séparateurs à sec et en séparateurs à voie humide, chacun présentant ses propres avantages et inconvénients.
(1) Séparateurs à sec
Les séparateurs à sec exploitent le comportement de cristallisation du PP ou du PE sous forte contrainte. Un film coulé, présentant une orientation élevée et une faible cristallinité, est d'abord préparé, puis étiré pour former des microdéfauts, qui sont ensuite élargis par recuit à haute température afin de créer une membrane poreuse à orientation uniaxiale.
Fusion → Coulage → Traitement thermique → Étirage → Produit fini
Faible coût et bonne résistance aux hautes températures ; couramment utilisé dans les batteries au lithium conventionnelles.
(2) Séparateurs à voie humide
Les séparateurs par voie humide sont généralement produits par la méthode de séparation de phases induite thermiquement (TIPS). Les polyoléfines sont mélangées à des solvants à petites molécules à point d'ébullition élevé (comme l'huile de paraffine) pour former une solution homogène. Lors du refroidissement, une séparation de phases solide-liquide ou liquide-liquide se produit, aboutissant à une structure biphasique. L'étirement biaxial oriente les chaînes polymères, suivi de
par extraction par solvant pour obtenir un séparateur microporeux.
Mélange des matières premières → Moulage par extrusion → Étirage → Extraction → Thermofixation → Produit fini
Coût plus élevé et résistance à la traction supérieure ; principalement utilisé dans les batteries au lithium haut de gamme.
3. Indicateurs clés de performance des séparateurs
Les performances du séparateur ont un impact direct sur la capacité de charge/décharge de la batterie, sa sécurité et sa durée de vie. Les principaux indicateurs sont les suivants :
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Taille et distribution moyennes des pores (influencent le transport des ions lithium)
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Porosité (affecte le transport des ions lithium)
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Épaisseur (affecte la résistance interne et la densité énergétique)
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Mouillabilité (affecte l'infiltration des électrolytes)
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Tortuosité (affecte la vitesse de transport des ions lithium)
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Absorption d'électrolytes (affecte la capacité de rétention des électrolytes)
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stabilité électrochimique (non-participation aux réactions électrochimiques)
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Stabilité thermique (affecte la sécurité de la batterie)
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Perméabilité à l'air (affecte le transport des ions lithium)
Un séparateur de haute qualité doit présenter une excellente stabilité thermique, une porosité appropriée et une forte capacité d'absorption et de rétention de l'électrolyte. Des paramètres tels que l'épaisseur, la porosité, la perméabilité à l'air et la distribution de la taille des pores influencent principalement les performances de transport des ions lithium, tandis que la stabilité électrochimique et la stabilité thermique sont essentielles à la sécurité de la batterie.
De plus, afin d'améliorer encore les performances des batteries, notamment leur sécurité et leur durée de vie, de nombreux fabricants de séparateurs et de batteries appliquent des revêtements fonctionnels à la surface du séparateur. Il s'agit notamment de revêtements d'oxydes inorganiques (comme l'Al₂O₃ et la boehmite) et de revêtements polymères (comme le PVDF), qui améliorent considérablement les performances globales du séparateur.
III. Conclusion
Les électrolytes et les séparateurs, matériaux essentiels qui régissent le transport des ions lithium et la sécurité des batteries, jouent un rôle déterminant dans leurs performances, leur durée de vie et leur fiabilité. Une connaissance approfondie de leurs propriétés, de leurs procédés de fabrication et de leurs principaux paramètres techniques est indispensable pour la recherche et le développement, la production pilote et la fabrication à grande échelle des batteries.
Forte d'une vaste expérience dans la recherche et le développement en laboratoire de batteries lithium-ion, les équipements de fabrication de cellules et les solutions d'assemblage de packs de batteries,
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