Cellules de batterie au lithium-ion : définitions, classification, principes de fonctionnement et applications dans le stockage d'énergie et le photovoltaïque

Dans le contexte de l’adoption rapide de nouveaux systèmes de stockage d’énergie, de production d’énergie photovoltaïque, de véhicules électriques et d’appareils électroniques portables, les batteries au lithium sont devenues le support le plus largement utilisé pour le stockage électrochimique de l’énergie. Bien que le terme soit souvent utilisé familièrement comme un fourre-tout-pour divers produits à base de lithium-, d'un point de vue technique, les "batteries au lithium" englobent deux catégories distinctes-piles au lithium primaires et-batteries au lithium-qui diffèrent considérablement en termes de performances, de caractéristiques et de scénarios d'application. Les batteries au lithium-ion, qui se distinguent par leur capacité à subir des cycles de charge-décharge répétés et leur haute densité énergétique, sont devenues le choix courant pour les applications grand public et industrielles.

 

Au sens strict, les piles au lithium « Flash Battery » font spécifiquement référence aux piles au lithium primaires-non-cellules à usage unique-non rechargeables. Leur structure utilise généralement du lithium métallique ou des alliages de lithium pour les électrodes, associé à une solution électrolytique non -aqueuse. Les batteries au lithium primaires conventionnelles utilisent du dioxyde de manganèse comme cathode et du lithium métallique pur comme anode, ce qui entraîne une réactivité chimique élevée. Tirant parti des caractéristiques énergétiques élevées de la chimie primaire du lithium, ces batteries conviennent à des applications spécifiques nécessitant une fourniture d'énergie précise dans des scénarios à usage unique ; cependant, en raison de leurs propriétés matérielles, ils ne peuvent pas être réutilisés.

 

 

La nature chimique hautement réactive du lithium métallique a été le principal facteur limitant l’adoption généralisée des batteries au lithium primaires traditionnelles. Le lithium métallique pur impose des exigences extrêmement strictes en matière de fabrication, de conditions de stockage et d'environnements opérationnels ; il réagit facilement avec l'air et l'humidité, posant des risques pour la sécurité qui ont longtemps entravé l'industrialisation à grande échelle des piles au lithium jetables. En revanche, les cellules de batterie rechargeables au lithium-ion ont fondamentalement surmonté ces goulots d'étranglement technologiques, permettant le recyclage et ouvrant la voie à la nouvelle ère de l'énergie à base de lithium-.

 

Les batteries au lithium rechargeables actuellement largement utilisées représentent la norme évoluée de l'industrie. Ils fonctionnent par intercalation et désintercalation (migration) d'ions lithium entre la cathode et l'anode pendant les cycles de charge et de décharge ; puisque le lithium métallique pur n’est pas impliqué dans la réaction, la sécurité et la stabilité sont considérablement améliorées. Ces batteries rechargeables alimentent une vaste gamme d’applications, allant de l’électronique grand public et des équipements industriels aux véhicules à énergies nouvelles.

 

Des décennies d'évolution technologique ont conduit au développement de divers systèmes de matériaux cathodiques courants pour les batteries lithium-ion afin de répondre à différents besoins opérationnels ; notamment, le phosphate de fer et de lithium (LFP) est devenu un matériau de base pour le stockage d'énergie industriel. Les matériaux cathodiques courants comprennent l'oxyde de lithium-cobalt, l'oxyde de lithium-manganèse, l'oxyde de lithium-nickel et le phosphate de lithium-fer ; le choix du matériau détermine la sécurité, la durée de vie et la densité énergétique de la batterie. Grâce à leur sécurité supérieure et à leur durée de vie exceptionnellement longue, les cellules LFP sont devenues le choix privilégié pour les applications de stockage d'énergie et de force motrice.

 

Les batteries au lithium-ion sont classées en fonction de leur état d'électrolyte en types d'électrolyte liquide-et d'électrolyte polymère-. Les batteries à électrolyte liquide-utilisent un électrolyte liquide ; elles présentent une technologie mature et des coûts gérables, ce qui en fait le choix principal pour les batteries de véhicules à énergies nouvelles. Les batteries à électrolyte polymère-utilisent un électrolyte polymère solide à l'état sec ou gel-, offrant un facteur de forme plus fin et plus léger et une sécurité améliorée. Les cellules LFP combinent la chimie du lithium fer phosphate avec des processus de fabrication matures, équilibrant performances et coûts pour s'adapter à diverses applications-haute puissance.

 

Commercialisées en 1992, les-batteries lithium-ion-offrant des avantages tels qu'une densité énergétique élevée, l'absence d'effet mémoire et de faibles -taux d'autodécharge-ont complètement remplacé les batteries au plomb-acide traditionnelles et les batteries au lithium primaire-de première génération. Par rapport aux batteries traditionnelles, elle prend en charge des cycles de charge-décharge répétés et offre une durée de vie considérablement prolongée, ce qui la rend adaptée aux scénarios nécessitant un fonctionnement continu à long terme-. L'industrie du stockage d'énergie par batterie a réussi à déployer-à grande échelle et de manière régulière des centrales électriques de stockage d'énergie.