Explication détaillée des connaissances sur les batteries lithium-ion - Directeur R&D Batteries chez Tritek

Explication détaillée des connaissances sur les batteries lithium-ion - Directeur R&D Batteries chez Tritek

Avec le développement de l'industrie mondiale des nouvelles énergies, les batteries au lithium sont devenues un secteur à forte demande, et les batteries lithium-ion de puissance sont devenues un segment particulièrement dynamique pour l'industrie des batteries au lithium.
Comprenez-vous pleinement les aspects techniques des batteries lithium-ion ? Voici un guide complet qui les résume, rédigé par le directeur R&D de Tritek.
Nous avons également préparé un glossaire des termes relatifs aux vélos électriques (https://tritekbattery.com/zh-CN/ebike-glossary-of-terms/) pour faciliter vos recherches.

Contenu [masquer]
1. Connaissances de base sur les cellules
1.1 Historique du développement des batteries
1.2 Catégorie de batterie
1.3 Orientation du développement des batteries de puissance
1.4 Batterie au lithium – historique de développement
Batterie au lithium 1,5 V – Fonctionnement
1.6 Batteries au lithium – principe de fonctionnement – ​​processus de charge et de décharge
1.7 Composition structurelle des batteries au lithium
1.8 Matériau de cathode pour batterie au lithium
1.9 Batteries au lithium – Classification
1.10 Paramètres de performance des batteries au lithium
1.11 1.4 Batterie au lithium – courbe de charge et de décharge
1.12 Batterie au lithium - Performances à haute et basse température
1.13 Batterie au lithium - Performances à haute et basse température
1.14 Batterie au lithium – performances cycliques à différents régimes de charge
1.15 Batterie au lithium – performances cycliques à différents taux de décharge
1.16 Batterie au lithium – Effet de la profondeur de décharge sur la durée de vie
1.17 Batterie au lithium – Effet de la température sur la durée de vie en cycles
1.18 Batterie au lithium - Décharge à température normale, rendement de décharge, élévation de température
1.19 Batterie au lithium – charge à température normale, efficacité de charge, élévation de température
1.20 Batterie au lithium – principe de l'élévation de température lors de la charge et de la décharge
1,21 Batterie au lithium compatible
2 Connaissances sur les matériaux cellulaires
2.1 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – électrode positive
2.2 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – électrode négative
2.3 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – agent conducteur
2.4 Connaissances des matériaux des batteries — classeurs
2.5 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – feuille métallique
2.6 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie — Cosses
2.7 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – séparateur
2.8 Connaissances sur les matériaux des batteries – électrolyte
2.9 Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – enveloppe en acier
2.10 Connaissances sur les matériaux des batteries — Bouchon
2.11 Connaissances relatives aux matériaux du noyau de la batterie – dispositif de sécurité
Connaissances en technologie cellulaire
3.1 Connaissance du processus cellulaire - Flux de processus
4. Connaissance de la structure cellulaire
4.1 Connaissance de la structure cellulaire
4.2 Connaissance de la structure du noyau de la batterie – empilement carré
4.3 Connaissance de la structure du noyau de la batterie – lamination carrée en forme de Z
4.4 Connaissance de la structure du noyau de la batterie – lamination de film carré
4.5 Connaissance de la structure du noyau de la batterie – enroulement carré à cosses multiples
4.6 Connaissance de la structure du noyau de la batterie – enroulement cylindrique simple à cosses multiples
4.7 Connaissance de la structure du noyau de la batterie – bobinage cylindrique à cosses complètes
4.8 Structure cellulaire : résumé des connaissances

Notions de base sur la cellule
développement des batteries

Une pile est un dispositif qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique. Elle fournit directement de l'énergie électrique au monde extérieur grâce à des réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur de la pile.

Catégorie de batterie

On distingue principalement trois types de batteries : les batteries chimiques, les batteries physiques et les batteries biologiques. Vous trouverez ci-dessous un schéma récapitulatif de cette classification.

Orientation du développement des batteries de puissance

Pile nickel-cadmium → Pile nickel-zinc → Pile au plomb → Pile Ni-MH → Pile lithium-ion → Pile à combustible

Piles nickel-cadmium :gravement polluées, elles ont pratiquement disparu.

Batterie nickel-zinc :Durée de vie courte, performances inadaptées aux batteries de voiture.

Batterie au plomb-acide :Elle a d'abord été utilisée comme batterie de véhicule et l'est encore aujourd'hui. Son coût est faible, mais sa capacité énergétique est faible, son taux d'autodécharge élevé, sa durée de vie limitée et elle n'est pas respectueuse de l'environnement.

Batteries nickel-hydrure métallique :Le plus souvent utilisé dans les VHE (véhicules hybrides électriques), il offre de meilleures performances mais coûte plus cher et contient du nickel, un métal polluant.

Batterie lithium-ion :Le secteur actuellement en plein essor dans l'industrie des batteries automobiles, grâce à ses bonnes performances et à son respect de l'environnement.

Les produits LEV de Triteks, tels que les batteries pour vélos électriques, les batteries personnalisées pour vélos électriques, les batteries pour motos électriques et les batteries pour vélos cargo, utilisent tous des batteries lithium-ion.

Pile à combustible :Pas encore industrialisée, elle est performante et respectueuse de l'environnement, mais son prix est élevé.

Batterie au lithium – historique de développement

Le carbone est utilisé comme électrode négative et un composé de lithium comme électrode positive ; lors des processus de charge et de décharge, les ions lithium font la navette entre l'électrode positive et l'électrode négative, d'où le nom de batterie lithium-ion.

Batterie au lithium – Comment ça marche

Lors des cycles de charge et de décharge des batteries lithium-ion, les ions lithium se déplacent alternativement de l'électrode positive à l'électrode négative, puis de nouveau à l'électrode positive. Ce mouvement est comparable à celui d'un fauteuil à bascule, les ions lithium oscillant entre les deux extrémités de la batterie. Ce système de stockage d'énergie électrochimique est appelé « batterie à fauteuil à bascule ».

Batteries au lithium – principe de fonctionnement – ​​processus de charge et de décharge

1.6.1 Les ions lithium sont incorporés dans la structure en couches du matériau de la cathode avant la charge.

1.6.2 Une fois la charge commencée, le matériau de l'électrode positive perd des électrons et les ions lithium s'échappent du matériau de l'électrode positive.

1.6.3 Les ions lithium atteignent le matériau en graphite de l'électrode négative à travers l'électrolyte et le séparateur.

1.6.4 Les ions lithium sont incorporés dans la couche de graphite, tandis que les électrons atteignent l'électrode négative à travers le circuit externe, formant un graphite contenant du lithium relativement stable.

1.6.5 Au fur et à mesure que le processus de charge se poursuit, le matériau de l'électrode positive continue de perdre des électrons et les ions lithium continuent d'être désintercalés jusqu'à ce que la charge soit terminée.

1.6.6 Les électrons quittent le matériau de l'électrode négative et circulent vers l'électrode positive via le circuit externe. Les ions lithium ayant perdu des électrons s'échappent également de la couche de graphite.

1.6.7 Les ions lithium extraits de l'électrode négative retournent au matériau de l'électrode positive à travers l'électrolyte et le séparateur, et se combinent avec les électrons atteignant l'électrode positive à travers le circuit externe pour former un matériau d'électrode positive contenant du lithium relativement stable.

composition structurelle des batteries au lithium

Matériau de cathode pour batterie au lithium

Batteries au lithium – Classification

Les batteries au lithium peuvent être classées selon leur forme, leur boîtier et leur procédé de fabrication.

TritekOn utilise une structure cylindrique en acier laminé, principalement pour les batteries 18650 et 21700.

capacité de la batterie
1I capacité de décharge de la batterie à température ambiante (Ah) 1 (A) courant atteint la tension finale.

Formule : C=It, c'est-à-dire capacité de la batterie (Ah) = courant (A) x temps de décharge (h).

La capacité d'une batterie désigne la quantité d'énergie qu'elle peut obtenir ou stocker.

La capacité est déterminée par le matériau actif de l'électrode et est principalement affectée par le taux de décharge et la température (donc, à proprement parler, la capacité de la batterie devrait spécifier les conditions de charge et de décharge).

Relation entre la capacité et la température des gaz d'échappement :

Tension
Désigne la différence de potentiel (PD) entre les électrodes positive et négative de la batterie (la tension est affectée par la puissance de la batterie, la température et d'autres conditions).

Comment choisir la tension adaptée à la batterie de votre moto électrique

Tension en circuit ouvert (OCV)
La tension à vide d'une batterie lorsqu'elle n'est pas connectée à un circuit ou une charge externe. Cette tension est liée à l'énergie restante de la batterie, et l'affichage de la puissance repose sur ce principe.

Tension en circuit fermé (CCV)
Il s'agit de la différence de potentiel (PD) entre les électrodes positive et négative de la batterie dans des conditions de fonctionnement, c'est-à-dire lorsque le courant circule dans le circuit.

Phase de charge (SOC)
Il s'agit du taux de charge restante, égal à la charge restante divisée par la charge totale. Un SOC de 0 % signifie que la batterie est complètement déchargée, et un SOC de 100 % signifie qu'elle est pleinement chargée.

Le SOC est calculé à l'aide du système de gestion de la batterie (BMS).

Profondeur de décharge (DOD)
Il s'agit du niveau de décharge de la batterie, c'est-à-dire le pourcentage de batterie déchargée par rapport à sa capacité nominale. Contrairement à l'état de charge (SOC), un niveau de décharge de 100 % signifie que la batterie est vide, et un niveau de décharge de 0 % signifie qu'elle est complètement chargée. La relation entre le niveau de décharge et l'état de charge est la suivante : niveau de décharge + état de charge = 1.

résistance interne
La résistance interne désigne la résistance au passage du courant dans la batterie lorsqu'elle est en fonctionnement. On distingue généralement la résistance interne en courant alternatif (CA) et la résistance interne en courant continu (CC). En règle générale, les batteries à faible résistance interne présentent une forte capacité de décharge, tandis que celles à résistance interne élevée ont une faible capacité de décharge. La résistance interne de la batterie génère une importante quantité de chaleur par effet Joule, ce qui augmente sa température interne. Il en résulte une diminution de la tension de décharge et une réduction de la durée de décharge, affectant ainsi les performances et la durée de vie de la batterie.

La température monte
La chaleur générée lorsqu'un courant traverse un conducteur Q=I2Rt

Temps de plateau de décharge
Le temps de plateau de décharge correspond au temps nécessaire à la batterie pour atteindre une tension donnée après une charge complète. Ce plateau est une caractéristique de la courbe de décharge de la batterie. Son unité est la minute.

rapport de courant constant de charge
Le rapport entre la charge à courant constant et la capacité totale de charge à courant constant et à tension constante. Plus ce rapport est élevé, meilleures sont les performances de la batterie. L'unité du rapport de courant constant est le pourcentage (%).

cycle de vie
La durée de vie en cycles d'une batterie fait référence au nombre de cycles de charge et de décharge subis par une batterie dans un système de charge et de décharge donné, lorsque la capacité de la batterie chute à une certaine valeur spécifiée.

Comprendre la durée de vie des batteries au lithium : combien de cycles de charge pouvez-vous espérer ?

taux de charge et de décharge
Le courant de charge/décharge correspond à l'intensité nécessaire à la batterie pour décharger sa capacité nominale dans un délai déterminé. 1C est égal à la capacité nominale de la batterie, généralement représentée par la lettre C.

taux d'autodécharge
Le taux d'autodécharge, également appelé taux de rétention de charge, désigne le rapport entre la capacité réduite et la capacité initiale d'une batterie en circuit ouvert après une charge complète effectuée dans certaines conditions et un stockage d'une durée déterminée. Son unité est le pourcentage (%).

Plus l'autodécharge est faible, mieux c'est, et plus la capacité de rétention de charge est élevée, mieux c'est également. Les batteries présentant une forte autodécharge ont tendance à subir une chute de tension rapide après un stockage prolongé. Ce phénomène est principalement influencé par le processus de fabrication, les matériaux utilisés, les conditions de stockage et d'autres facteurs.

efficacité de charge
La capacité d'une batterie à stocker de l'énergie chimique se mesure en convertissant l'énergie électrique consommée lors de la charge. Elle dépend principalement de la technologie et de la composition de la batterie, de la température ambiante, de la vitesse de charge et d'autres facteurs. De manière générale, plus la vitesse de charge est élevée, plus le rendement de charge est faible. De même, plus la température est basse, plus le rendement de charge est faible.

Efficacité de décharge
Dans certaines conditions de décharge, le rendement de décharge correspond au rapport entre la quantité d'énergie réellement déchargée par la batterie, la tension finale et sa capacité nominale. Ce rendement est principalement influencé par des facteurs tels que le courant de décharge, la température ambiante et la résistance interne. De manière générale, plus le courant de décharge est élevé, plus le rendement est faible. De même, plus la température est basse, plus le rendement est faible.

énergie nouvelle
Formule : Énergie (Wh) = Tension de fonctionnement (V) × Courant de fonctionnement (A) × Durée de fonctionnement (h) = Tension × Capacité

Énergie spécifique (densité énergétique)
L'énergie fournie par la batterie par unité de masse ou par unité de volume est appelée énergie massique spécifique ou énergie volumique spécifique, également connue sous le nom de densité énergétique.

L'énergie est généralement exprimée en densité volumique (Wh/L) ou en densité massique (Wh/kg). Par exemple, si une batterie au lithium pèse 143 g, a une tension nominale de 3,2 V, une capacité de 6 500 mAh et une densité énergétique de 145 Wh/kg (3,2 × 6 500 / 143).

1.4 Courbe de charge et de décharge de la batterie au lithium

courbe de charge

courbe de décharge

Batterie au lithium - performances à haute et basse température

Batterie au lithium - performances à haute et basse température

Batteries au lithium – performances cycliques à différents taux de charge

Batterie au lithium – performances cycliques à différents taux de décharge

Batteries au lithium – Impact de la profondeur de décharge sur la durée de vie

Batteries au lithium – Effet de la température sur la durée de vie en cycles

Batterie au lithium - taux de décharge à température normale, rendement de décharge, élévation de température
Décharge à température normale

1. Charge : courant constant et tension constante, courant 1,25 A (0,5 C), tension limite supérieure 4,2 V, courant de coupure 0,05 A (0,02 C) ;

2. Laisser reposer : 10 min ;

3. Décharge : décharge à courant constant avec différentes tailles de courant, tension limite inférieure 2,75 V ;

4. Efficacité de décharge = capacité de décharge à chaque taux/0,5A (0,2C) capacité de décharge ;

Batterie au lithium – charge à température normale, efficacité de charge, élévation de température
Tarifs de température normaux

1. Décharge : courant 0,52 A (0,2 C), courant constant jusqu'à 2,75 V ;

2. Laisser reposer : 10 min ;

3. Chargement : Utiliser un courant constant et une tension constante de différentes tailles, la tension la plus élevée étant de 4,2 V ;

4. Efficacité de charge = capacité de charge à courant constant à chaque taux/capacité de décharge de 2,5 A (1C) ;

Batterie au lithium – principe du doublement de l'élévation de température lors de la charge et de la décharge

La chaleur générée lors du processus de charge et de décharge des batteries au lithium se compose principalement de trois parties :

Forme : chaleur de polarisation, chaleur ohmique, chaleur de réaction, la chaleur de réaction est une réaction endothermique

responsable de;

Plus le rapport charge-décharge (courant) est élevé, plus la résistance interne de polarisation est importante et plus la génération de chaleur est grande.

Batterie au lithium – bloc-batterie compatible

Principes d’appariement des batteries « Huit Constants » : capacité constante, résistance interne constante, rapport de courant constant constant, durée de la plateforme constante, autodécharge constante, tension constante, charge constante et cycle constant.

Connaissance des matériaux cellulaires

Connaissance des matériaux de base des batteries – électrode positive
Catégorie d'électrode positive : phosphate de fer lithié, NCM/NCA ternaire, manganate de lithium, oxyde de cobalt lithié, phosphate de fer lithié et de manganèse.

Connaissance des matériaux de base des batteries – électrode négative
Classification des matériaux actifs négatifs : graphite artificiel, graphite naturel, billes de carbone mésophasé, carbone mou, carbone dur et fibre de carbone.

Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – agent conducteur
L'agent conducteur permet d'assurer de bonnes performances de charge et de décharge de l'électrode. Lors de la fabrication des plaques d'électrode, une certaine quantité de matériau conducteur est généralement ajoutée afin d'améliorer l'efficacité de charge et de décharge de l'électrode.

Connaissances des matériaux pour batteries – adhésifs

Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – feuille d'aluminium

Le collecteur de courant sert à collecter le courant généré par le matériau actif de la batterie afin de produire un courant de sortie plus important, en assurant un contact total avec le matériau actif, une faible résistance interne et une bonne conductivité.

Feuille d'aluminiumLe potentiel de l'électrode positive est élevé et le film d'oxyde est très dense, ce qui empêche l'oxydation du collecteur de courant. Le film d'oxyde de la feuille de cuivre est relativement lâche. Pour éviter l'oxydation, un potentiel faible est préférable. Le lithium et le cuivre forment difficilement un alliage contenant du lithium à faible potentiel.

feuille de cuivreLa couche d'oxyde à la surface du cuivre est un semi-conducteur et conduit les électrons. Si cette couche est trop épaisse et que la résistance est élevée, l'aluminium (Al) s'alliera avec le lithium (LiAl) au faible potentiel de l'électrode négative, c'est-à-dire que l'aluminium incorporera du lithium dans l'électrode négative.

Connaissance des matériaux du noyau de la batterie — Cosses

Les cosses sont les conducteurs métalliques reliant les bornes positive et négative de la batterie. De manière générale, les languettes des pôles positif et négatif de la batterie constituent les points de contact lors de la charge et de la décharge.

Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – diaphragme

Matériau : PE (polyéthylène) monocouche ou PP (polypropylène) composite tricouche + PE + PP

Fonction:

1. Séparez les bornes positive et négative de la batterie pour éviter les courts-circuits ;
2. Adsorbe l'électrolyte de la batterie pour assurer une conductivité ionique élevée ;
3. Certains empêchent également le transfert et la réaction de substances nocives entre les électrodes ;
4. Cela permet de s'assurer que la batterie cesse de répondre en cas d'anomalie et d'améliorer ainsi la sécurité de ses performances.

Connaissances des matériaux des batteries – électrolyte

L'électrolyte assure la conduction des ions entre les électrodes positive et négative de la batterie et sert de pont entre les matériaux de ces électrodes. Utiliser uniquement dans un environnement sec (par exemple, une boîte à gants avec une humidité inférieure à 20 ppm).

1. Sel de lithium : LiPF6
2. Solvant : EC, DMC, EMC
3. Additifs : agent filmogène, agent anti-surcharge, retardateur de flamme, stabilisant, etc.

Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – enveloppe en acier

La fonction principale de l'enveloppe en acier de la batterie est de fournir un bon environnement électrochimique.

Caractéristiques de performance du boîtier en acier de la batterie :

1. Le matériau présente de bonnes performances de traitement, une haute précision et une haute résistance ;
2. La surface de la batterie présente une dureté élevée et une certaine capacité de charge.
3. Nickelage : La batterie présente une bonne résistance à la corrosion.
4. La partie inférieure ne peut généralement pas être soudée par points au laser.

Connaissances sur les matériaux des batteries — Bouchon

La fonction principale du capuchon est d'assurer l'étanchéité de la batterie, de fournir une soupape de sécurité et de servir de borne conductrice positive.

Exigences techniques relatives aux bouchons de bouteille :

1. La bague d'étanchéité est fabriquée en polyéthylène propylène et ne se déformera pas à 135 °C ;
2. La surface est lisse, l'épaisseur de la paroi est uniforme et l'aspect n'est pas endommagé ;
3. La pression d'ouverture du bouchon de la bouteille est de 1,2±0,1 MPa et la pression d'ouverture est de 1,8±0,1 MPa ;
4. Le petit joint ne se déformera pas et ne fondra pas à 350 °C ;
5. Les condensateurs ne sont généralement pas soudés à haute température.

Connaissance des matériaux du noyau de la batterie – dispositif de sécurité

Certaines batteries cylindriques au lithium-fer-phosphate sont dotées d'évents et de soupapes de sécurité intégrés (CID) afin d'améliorer leur protection. Cette « double protection » permet de lutter efficacement contre la surcharge, les courts-circuits, les chocs, etc.

Dispositif de ventilation : Lorsqu’une réaction chimique se produit dans la batterie, le gaz généré s’accumule dans l’évent par l’orifice de ventilation et les ouvertures supérieure et inférieure, ce qui permet au gaz contenu dans la batterie de se dissiper, assure l’équilibre de la pression d’air des cellules de la batterie et évite les risques pour la sécurité.

Soupape de sécurité (CID) : Lorsque la pression interne atteint 1,2 ± 0,1 MPa, la borne positive et le capuchon se déconnectent, et la réaction chimique au sein de la batterie est interrompue. Lorsque la pression interne atteint 1,8 ± 0,1 MPa, la soupape de sécurité s’ouvre et le gaz est évacué afin d’éviter tout risque d’explosion.

Connaissance des processus cellulaires

Connaissance des processus cellulaires - flux de processus

Voici le déroulement du processus au sein de la cellule :

Connaissance de la structure cellulaire
Voici une carte mentale des connaissances structurelles :

Connaissance de la structure du noyau de la batterie – empilement carré

Connaissance de la structure du noyau de la batterie – laminations carrées en forme de Z

Connaissance de la structure du noyau de la batterie – lamination de film carré

Connaissance de la structure du noyau de la batterie – enroulement carré à plusieurs cosses

Connaissance de la structure du noyau de la batterie – enroulement cylindrique simple à plusieurs cosses

Connaissance de la structure du noyau de la batterie – enroulement cylindrique à oreilles complètes

Connaissances sur la structure cellulaire – résumé

Résumé : L'avantage du laminage est que le processus est facile à contrôler, et l'avantage de la lamination est que la densité énergétique de la batterie est légèrement supérieure et que le conditionnement est pratique.

résumé:

Les cosses multiples présentent de nombreux inconvénients, notamment certains risques pour la sécurité ; mais lorsque la capacité est faible, elles offrent l’avantage d’une densité énergétique élevée.

Le projet à fixation complète est généralement préférable, notamment pour les batteries de grande capacité ; il devrait être privilégié.