Analyse des perspectives des batteries au lithium remplaçant le plomb-acide dans le domaine des batteries automobiles

Les batteries au plomb sont actuellement la principale source d'alimentation pour le SLI dans les véhicules à moteur, et elles ont également reçu de nombreuses autres applications. Les avantages des batteries au lithium en tant que batteries SLI au lieu des batteries au plomb résident principalement dans leur durée de vie plus longue et leur densité énergétique plus élevée. En termes de sécurité, les nouvelles réglementations européennes sur les batteries concernant l'utilisation de matériaux contraignants dans les véhicules sont prises en compte, ainsi que les spécifications de coût, de conception et de test. Le cycle de vie et le recyclage des deux batteries sont également pris en compte.

1. Remplacement de la batterie

Au fil des ans, les normes de chimie et de fabrication des batteries au plomb ont été adaptées aux nouvelles exigences et défis en matière d'alimentation relativement rapidement en ajustant les additifs et en améliorant les processus de fabrication existants, plutôt que d'essayer de reconcevoir un système de batterie complètement nouveau. Dans les années 1960, la durée de vie d'une batterie plomb-acide SLI était d'environ 3 ans et, en 2015, à mesure que les exigences en matière d'alimentation et d'application augmentent, la batterie peut durer jusqu'à cinq ans ou plus.

Les batteries au plomb ont conservé leur part de marché, principalement parce qu'elles peuvent répondre au courant élevé requis pour le démarrage à froid de l'ICE, la durabilité du cycle à haute température, une sécurité relativement élevée et un coût relativement faible. Si vous envisagez de participer à ce marché, ce sont les défis auxquels toute nouvelle technologie de batterie doit faire face. Ces dernières années, la stabilité des batteries au lithium en termes de chimie et de fabrication a été considérablement améliorée, le coût a été continuellement réduit et les performances ont été continuellement améliorées. Dans un sens plus large, par rapport aux batteries plomb-acide, les principaux avantages actuels des batteries lithium-ion SLI sont leur haute densité énergétique et leur longue durée de vie.

Les batteries lithium-ion SLI ont des performances similaires à celles des batteries plomb-acide SLI existantes, et des tests supplémentaires ont été introduits pour évaluer la stabilité des batteries lithium-ion SLI. Y compris des mesures de sécurité strictes, telles que la protection contre les surcharges, les tests de destruction de type écrasement ou perforation, la décharge et la charge continue à basse température et l'évaluation de l'impact du dépôt de lithium.

2. Conception de sécurité de la batterie lithium-ion

Le principal défi dans le développement des batteries lithium-ion SLI est de savoir dans quelle mesure la batterie est sûre dans des conditions d'abus ou de vieillissement, et si un emballement thermique se produira. De nombreux tests ont été menés pour éviter cette situation, mais toutes les situations ne sont pas prévisibles. Étant donné que l'accident a causé des dommages excessifs à l'intérieur du véhicule, ce qui peut provoquer une brûlure de la batterie en raison d'incendies externes ou internes, les précautions prises garantiront que la batterie endommagée ne provoquera plus d'étincelles, réduisant ainsi la propagation du feu après le accident. De plus, un facteur unique de la batterie est le court-circuit interne (ISC) qui peut se produire en raison de son vieillissement. Certaines conditions courantes, telles que la formation de dendrites de lithium, pénètrent dans le diaphragme pour provoquer un court-circuit, ce qui provoque le rétrécissement du diaphragme en raison de la chaleur et provoque un court-circuit sur une grande surface. Un autre défi pour les tests de batteries standardisés est que la structure externe des batteries lithium-ion peut être cylindrique, pochette (soft pack) ou carrée. Par conséquent, chaque type de batterie nécessite une procédure de test mécanique différente. Ces techniques peuvent être utilisées pour guider la compréhension de la corrélation entre les tests de sécurité et les batteries lithium-ion SLI.

3. Conception de la batterie SLI

Dans la conception des batteries SLI, il existe une variété de matériaux d'électrodes et de combinaisons de batteries parmi lesquels choisir. Cependant, lorsque la tension globale de la batterie est limitée à 12 V typique, il est possible de remplacer la batterie au plomb existante dans ce cas. Actuellement, seules quelques batteries connectées en série peuvent atteindre la tension de batterie correcte.

En plus de l'exigence d'obtenir une tension de batterie proche de 12V, d'autres facteurs tels qu'une disponibilité aisée sur le marché grand public doivent être pris en compte. Par rapport aux batteries plomb-acide standard, ces matériaux peuvent fabriquer des batteries SLI à un prix compétitif. Les matériaux cathodiques des batteries lithium-ion peuvent être divisés en types stratifiés, spinelle et olivine. Le matériau de l'anode est principalement en carbone. En plus de considérer la compatibilité des matériaux de cathode et d'anode pour fournir la tension de batterie et la capacité de puissance correctes, la première des batteries lithium-ion Les trois composants importants sont son électrolyte. Pour la plupart des batteries commerciales, des électrolytes liquides organiques sont utilisés avec des sels de lithium solubles, qui peuvent fournir la conductivité requise des ions lithium. Le sel le plus couramment utilisé actuellement est le LiPF6.

En BEV, la batterie lithium-ion SLI 12 V peut être utilisée pour entretenir le système électronique embarqué du véhicule' lorsque le véhicule ne roule pas. L'utilisation de batteries plomb-acide SLI dans cette application n'est pas idéale car elle est généralement conçue pour une puissance élevée et n'est pas nécessairement adaptée aux scénarios d'application de décharge profonde à faible courant. À cet égard, les batteries lithium-ion SLI ne font que combler les lacunes des batteries plomb-acide SLI.

4. Conception de l'équilibre de la batterie et du système de gestion de la batterie (BMS)

Contrairement aux batteries plomb-acide SLI, le défi de la technologie des batteries lithium-ion est qu'elles ont une efficacité de recharge élevée proche de 95% et doivent fonctionner strictement dans la fenêtre de tension de la batterie. Lorsque les batteries lithium-ion sont assemblées en série et chargées, elles peuvent facilement dériver en dehors de la fenêtre de tension de la batterie, le matériau actif peut commencer à subir des changements de phase irréversibles et l'électrolyte peut commencer à se décomposer. Cela augmente à son tour la résistance interne de la batterie, augmentant ainsi l'effet de déséquilibre de la batterie. Par conséquent, la gestion de la batterie et la surveillance des batteries individuelles sont devenues des pratiques standard pour les modules lithium-ion, et elles sont généralement intégrées dans le boîtier du boîtier de batterie. Il existe un grand nombre de systèmes BMS sur le marché, dont beaucoup sont conçus sur mesure pour des produits chimiques spécifiques aux batteries lithium-ion. La méthode de charge la plus simple et la plus économique consiste à limiter la charge de la batterie en série. Une meilleure méthode consiste à permettre la redistribution de l'énergie entre les batteries une fois que la batterie atteint sa limite de tension supérieure, empêchant une seule batterie de surcharger et causant des problèmes de sécurité.

5. Le coût de la batterie

Par rapport aux technologies existantes, l'un des principaux défis des batteries lithium-ion SLI est de proposer aux consommateurs un prix compétitif. Les chercheurs travaillent d'arrache-pied pour étudier les enjeux de la chaîne de valeur dans la fabrication des batteries lithium-ion. À l'heure actuelle, près de 60% des coûts des batteries sont considérés comme composés de matériaux inactifs tels que les collecteurs de courant, les séparateurs et les boîtiers de batteries. Le surcoût provient de l'interphase à électrolyte solide (SEI). ) Le temps et l'énergie dépensés dans le processus de formation.

6. Politiques et législation

Les principaux moteurs de la technologie sont généralement accompagnés de certaines politiques nationales et internationales liées à la santé et à la sécurité, suivies d'une législation. Celles-ci impliquent généralement l'utilisation de certains produits chimiques ou accessoires chimiques considérés comme nocifs pour l'homme et l'environnement. Surtout lorsque ces substances nocives sont utilisées dans les véhicules, leur concept de conception doit pouvoir atteindre"recyclage vert", c'est-à-dire qu'elles peuvent être démontées afin que divers matériaux puissent être réutilisés, recyclés ou éliminés en toute sécurité sans causer de pollution à l'environnement.

7.Normes et spécifications

Au fil des décennies, des spécifications et des normes ont émergé et se sont progressivement développées pour s'adapter aux performances et à la sécurité de presque toutes les applications de batteries, y compris les batteries SLI pour véhicules. D'autre part, la législation de certains pays ou régions peut faire référence à des normes lorsqu'elle traite de certaines exigences qui ont généralement un impact direct sur la sécurité et la santé de la communauté et de l'environnement. La United States Advanced Battery Alliance (USABC) a compilé un manuel de test de batterie (Révision 2) pour le Département américain de l'Énergie (DoE).

8. Recyclage des batteries

Actuellement une entreprise avec une certaine force dans le recyclage des batteries lithium-ion.

Ce qui précède résume que certaines grandes entreprises participent activement au processus établi de recyclage à l'échelle industrielle des batteries lithium-ion. La capacité de recyclage de l'industrie émergente du recyclage augmentera d'au moins cinq fois au cours des 7 à 10 prochaines années.

9. Conclusions et perspectives

Cet article résume certains facteurs de remplacement des batteries SLI plomb-acide par des batteries SLI lithium-ion, ce qui sera un processus progressif au cours des prochaines années. Avec l'utilisation massive de systèmes de stockage d'énergie renouvelable, l'utilisation de batteries au plomb continuera de croître, et l'accent mis sur les batteries lithium-ion SLI sera utilisé dans les véhicules ICE de milieu à haut de gamme situés en Europe, dont certains qui se trouvent en Asie et aux États-Unis. Pour de nombreux véhicules ICE petits et bon marché, la batterie plomb-acide SLI continuera à être utilisée, car le coût de remplacement de la batterie sera toujours le facteur décisif. En outre, le marché mondial de la consommation augmentera l'utilisation de"économie circulaire" produits, qui se concentrera sur la réduction des déchets environnementaux tout en augmentant le recyclage des matières premières. Bien que le recyclage des batteries lithium-ion en soit encore à ses balbutiements, la Chine, le Japon et d'autres pays ont déjà mené des initiatives importantes. Les États-Unis, l'Australie et les pays européens ont tous démontré les nouvelles fonctions du recyclage des matériaux dans les batteries lithium-ion. Ces processus de recyclage auront lieu dans les cinq à cinq prochaines années. Parfait dans dix ans.