Le développement des véhicules électriques bat son plein et la batterie de puissance est l'une des pièces les plus importantes. Son développement a un effet déterminant sur l'autonomie et la sécurité des batteries des véhicules électriques. Récemment, nous entendons souvent des termes tels que les batteries à semi-conducteurs, les batteries à gelée de SVOLT, la cellule ternaire Nickel 55 de NIO, les moteurs IM dopés au silicium pour compléter le lithium et la technologie CTP/CTC. En fait, avec autant de directions techniques, l'objectif fondamental est d'améliorer la densité d'énergie et la sécurité de la batterie. Dans cet article, l'éditeur vous emmènera faire le tri dans les pistes techniques qui s'y rapportent.

Moyens d'améliorer la densité énergétique et la sécurité

Les ingénieurs se sont creusé la cervelle afin d'augmenter la densité énergétique de la batterie, en utilisant deux voies similaires : augmenter la densité de la cellule de la batterie et augmenter la densité du système (batterie). Bien sûr, tout en améliorant la densité énergétique, la sécurité est toujours la priorité absolue. Afin d'améliorer la densité énergétique et la sécurité de la batterie, quels efforts ont fait la majorité des ingénieurs et quelles nouvelles technologies émergent actuellement ? Maintenant, nous allons discuter avec les dernières nouvelles.

Augmenter la densité énergétique des batteries

Le noyau de la batterie est composé de trois parties, l'électrode positive, l'électrode négative et l'électrolyte entre les électrodes positive et négative. Pour augmenter la densité d'énergie, nous commençons par ces trois aspects. Regardons-les un par un.

Cathode-Nickel 55 matériau monocristallin

La batterie de 100 kWh récemment publiée par NIO, qui est la batterie « seulement de la fumée mais pas de feu » précédemment annoncée par le CATL, a augmenté sa densité d'énergie de 37 % sans changer la taille de la coque de la batterie et presque sans augmentation de poids. recharger le kilométrage. La cellule ternaire au nickel 55 utilisée dans la nouvelle batterie est un facteur important pour augmenter la densité d'énergie. Son matériau cathodique est un matériau monocristallin haute tension. Qu'est-ce qu'un monocristal ? Avant de répondre à cette question, jetons un coup d'œil à la direction technique des matériaux cathodiques.

La pile au lithium dite « ternaire » fait référence aux trois éléments de nickel, de cobalt et de manganèse (NCM) dans le matériau de l'électrode positive. Le nickel est utilisé pour augmenter la capacité et le cobalt est utilisé pour stabiliser la structure. Le rôle du manganèse est de réduire les coûts et d'améliorer la stabilité structurelle du matériau. Plus le taux de nickel est élevé et plus le taux de cobalt et de manganèse est faible, plus la densité d'énergie est élevée, mais la sécurité est réduite.

Afin d'augmenter la densité d'énergie, le rapport NCM a été augmenté de "111 (N:C:M=1:1:1)" à "523" puis à "811". Cette voie a toujours été la direction dominante pour le développement des matériaux de cathode ternaire. L'autre direction correspond à la route du monocristal (le point clé est ici). La nouvelle cathode de batterie utilise des matériaux monocristallins de la série 5. Les matériaux monocristallins sont plus adaptés à la haute tension. Actuellement, la plupart des matériaux de cathode ternaire commercialisés sont des matériaux polycristallins sphériques secondaires d'environ 10 microns formés par agglomération de nanoparticules primaires. Pour ceux qui n'ont aucune notion du polycristallin et du monocristal, veuillez vous référer au sable et au verre de quartz. Les deux sont en silice. Le sable de quartz est un matériau polycristallin,

Il existe un grand nombre de joints de grains dans le NCM polycristallin. Pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, en raison du changement de réseau cristallin anisotrope, le NCM polycristallin est sujet à la fissuration des joints de grains, provoquant la rupture des particules secondaires, de la surface spécifique et de la paire d'interface La réponse augmente rapidement, ce qui conduit à une augmentation de l'impédance de la batterie et à une baisse rapide des performances. Il n'y a pas de joint de grain à l'intérieur du matériau ternaire monocristallin, ce qui peut traiter efficacement le problème de la fracture du joint de grain et la dégradation des performances qui en résulte. Par conséquent, la structure monocristalline peut non seulement atteindre une tension plus élevée, mais améliore également la stabilité du cycle du matériau ternaire et améliore considérablement la sécurité de la batterie. C'est le matériau de la cathode,

Qu'est-ce que la technologie « cellule de batterie au lithium dopée au silicium » ?

La densité des électrodes négatives en graphite des batteries lithium-ion traditionnelles est faible. Afin de poursuivre la haute densité, les nouveaux matériaux d'électrodes négatives, le silicium-carbone et le silicium-oxygène, sont devenus de nouveaux points chauds recherchés par les entreprises. Cependant, le silicium-oxygène aura pour la première fois le problème d'un faible rendement et de la nécessité de compléter le lithium. Lors de la première charge et décharge des batteries lithium-ion liquides, le matériau d'électrode et l'électrolyte réagissent à l'interface solide-liquide pour former une couche de passivation recouvrant la surface du matériau d'électrode. Cette couche de passivation est une couche d'interface présentant les caractéristiques d'un électrolyte solide. C'est un isolant électronique mais un excellent conducteur de Li+. Li+ peut être librement intégré et extrait à travers la couche de passivation. Par conséquent, ce film de passivation est appelé " « Interface d'électrolyte solide » (interface d'électrolyte solide) est abrégé en film SEI (l'électrode positive a également des couches de formation de film, mais à ce stade, on pense que son impact sur la batterie est bien inférieur au film SEI sur la surface de l'électrode négative). Le processus de supplément de lithium de l'électrode négative en silicium-carbone consiste à pré-enduire une couche de lithium métallique sur la surface de l'électrode négative en silicium-carbone. Le revêtement est en contact étroit avec l'électrode négative. Une fois l'électrolyte versé dans l'électrode négative, il réagira avec l'électrode négative et sera intégré dans les particules d'électrode négative. Compensez les ions Li nécessaires pour former ou réparer le film SEI lors de la première charge et décharge ou cycle. Comparé au processus de supplément de lithium à électrode négative difficile et à haut niveau d'entrée, le processus de supplément de lithium à électrode positive est beaucoup plus simple. Le processus typique de supplément de lithium à électrode positive consiste à ajouter une petite quantité de matériau d'électrode positive à haute capacité au processus d'homogénéisation de l'électrode positive. Pendant le processus de charge, l'élément Li en excès est extrait de ces matériaux d'électrode positive riches en lithium et inséré dans l'électrode négative pour compléter la capacité irréversible de la première charge et décharge. Grâce à ce processus compliqué de reconstitution du lithium, la densité du matériau d'électrode négative peut être augmentée. À l'heure actuelle, on ne sait pas quel type de technologie est IM Motors, mais il est fondamentalement acquis d'avance qu'IM Motors utilisera cette batterie au lithium haut de gamme.

Électrolyte—Batterie à semi-conducteurs

Le 8 décembre, heure locale, Quantum Scape a annoncé la nouvelle de sa dernière batterie à semi-conducteurs et a déclaré que la batterie serait mise en production en 2024. Ce type de batteries à semi-conducteurs présente une amélioration significative par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles : ils peuvent augmenter l'autonomie des véhicules électriques de 80 %. Discutons de ce qu'est une batterie à semi-conducteurs et quels sont ses avantages.

Tout en augmentant la densité d'énergie de la batterie, la sécurité de la batterie est un problème qui doit être pris en compte. L'élimination fondamentale des risques pour la sécurité des batteries lithium-ion réside toujours dans l'amélioration de la sécurité des matériaux de la batterie. Mais pour les matériaux cathodiques, ces deux aspects sont contradictoires. Par exemple, comme mentionné précédemment, l'augmentation de la teneur en nickel peut augmenter la densité d'énergie, mais l'augmentation de la teneur en nickel signifie une sécurité moindre. Existe-t-il un moyen d'améliorer la sécurité de la batterie sous d'autres aspects, de manière à augmenter la densité d'énergie de manière plus sûre ? À ce moment, il est nécessaire de considérer du point de vue de l'électrolyte. Un grand nombre d'études ont montré que l'électrolyte liquide participe à la plupart des réactions dans le processus d'emballement thermique de la batterie, et réduit fortement la température de réaction initiale de la batterie, ce qui signifie que le seuil d'emballement thermique devient plus bas. Par conséquent, l'amélioration de la sécurité des électrolytes est l'un des moyens les plus efficaces d'assurer la sécurité des batteries. Les propriétés physiques de l'électrolyte liquide déterminent qu'il ne peut pas toujours éviter les fuites, et il n'est pas non plus propice à réduire le volume de la batterie et donc à augmenter la densité d'énergie. Par conséquent, afin d'améliorer la densité d'énergie et la sécurité, la solidification de l'électrolyte est devenue une tendance. Nous appelons une batterie dans laquelle les électrodes et l'électrolyte sont tous deux des batteries à l'état solide. La cellule de batterie à semi-conducteurs ne contient pas de liquide, ce qui est non seulement plus sûr, mais peut également être assemblé en série et en parallèle d'abord, réduisant ainsi le matériau utilisé pour la coque d'emballage,

Semblables aux batteries au lithium traditionnelles, les batteries à semi-conducteurs se composent d'une électrode positive, d'une électrode négative et d'un électrolyte. Sa structure est plus simple que les batteries au lithium traditionnelles et l'électrolyte solide agit comme la double fonction d'électrolyte et de séparateur. Il n'y a pas de différence essentielle entre le matériau d'électrode positive et la batterie au lithium traditionnelle. Les matériaux d'anode sont des matériaux d'anode au lithium métallique, des matériaux d'anode du groupe carbone et des matériaux d'anode d'oxyde. Pour les batteries à l'état solide, la recherche et le développement d'électrolytes à l'état solide sont les plus importants. Il existe de nombreux types de matériaux, notamment les oxydes, les sulfures, les polymères et les électrolytes solides composites.

En plus des batteries au lithium liquide à grande échelle et des batteries à l'état solide faisant l'objet de recherches, une batterie semi-solide - la batterie en gelée - est entrée dans le champ de vision des gens. En décembre 2020, Honeyco mb Energy a pris les devants en libérant la batterie de gelée et en acceptant les commandes. La batterie jelly est une batterie au lithium qui utilise un nouveau type d'électrolyte gélatineux. Cet électrolyte de type gel peut mieux s'adapter à la surface du matériau d'électrode. Il a les caractéristiques d'auto-guérison et ignifuge. En même temps, la diffusion de la chaleur est empêchée. Les batteries à gelée peuvent être considérées comme une transition des batteries liquides aux batteries à semi-conducteurs.

Augmentation de la densité du système - Nouvelle technologie de batterie

En plus d'augmenter la densité d'énergie des cellules de batterie, c'est également un moyen d'augmenter la densité d'énergie des batteries en ayant plus de batteries dans un bloc-batterie de la même taille et du même poids. Voici une brève introduction à la technologie actuelle relativement nouvelle des batteries.

Retirer l'emballage interne - Technologie Cell to Pack (CTP) :

Généralement, une batterie a non seulement un bloc-batterie sur la partie la plus externe, mais également un groupe de "modules" formé par un groupe de cellules à l'intérieur. Le soi-disant CTP est la non-modularisation et les cellules sont directement conditionnées. C'est actuellement un choix majeur des entreprises pour augmenter la densité énergétique. CATL, BYD et Honeycomb Energy ont tous lancé une technologie de batterie sans module. La batterie à lame BYD, qui était relativement populaire il y a quelque temps, est basée sur des batteries au lithium fer phosphate et utilise une conception sans module pour améliorer l'utilisation de l'espace.

Tous les emballages internes et la sous-traitance sont supprimés - Technologie Cell to Chassis (CTC) :

Le jour de la batterie de Tesla, une solution de batterie structurelle a été proposée, dans laquelle la batterie est directement intégrée à la structure de la voiture (voir l'article précédent de Long Ge "Interprétation des informations sur la journée de la batterie de Tesla"). Cette technologie de batterie structurée est similaire à la technologie CTC précédemment proposée par le CATL. Cette technologie intègre la cellule de batterie et le châssis, puis intègre le moteur, la commande électronique et le système haute tension du véhicule grâce à une architecture innovante. Le contrôleur de domaine d'alimentation optimise la distribution d'énergie et réduit la consommation d'énergie.

Remarques finales

Grâce à l'introduction ci-dessus, nous pensons que tout le monde a une certaine compréhension des nouvelles technologies liées aux batteries. Bien que la commercialisation des batteries entièrement à l'état solide nous oblige encore à attendre patiemment, nous pensons que les batteries à l'état semi-solide, les matériaux monocristallins positifs et la technologie de supplément de lithium dopé au silicium seront expérimentés par nous dans un avenir proche.