La différence entre les batteries lithium-ion et lithium-polymère

Une batterie lithium-ion polymère (LiPo) (également appelée Li-poly, lithium-poly, PLiON et d’autres noms) est une batterie Li-ion rechargeable avec un électrolyte polymère dans l’électrolyte liquide utilisé dans les batteries Li-ion conventionnelles. Il existe une variété de chimies LiPo disponibles. Tous utilisent un polymère gel à haute conductivité comme électrolyte. Les LiPos fournissent des énergies spécifiques plus élevées que les autres batteries au lithium, souvent utilisées dans des systèmes où le poids est un facteur important, tels que les appareils mobiles, les drones et certains véhicules électriques. Cette FAQ commence par une comparaison de haut niveau des batteries Li-ion et LiPo, suivie d’un aperçu détaillé des six chimies de base des batteries au lithium les plus appropriées pour une utilisation dans les batteries LiPo. Il se termine par un regard sur l’avenir et le développement possible de batteries polymères aluminium-air et de batteries à semi-conducteurs.

Toutes les batteries au lithium comprennent une barrière pour séparer l’anode et la cathode tout en permettant le mouvement des ions entre les électrodes. Dans un LiPo, le séparateur polymère contient également l’électrolyte. De plus, les séparateurs polymères peuvent fournir une fonction supplémentaire agissant comme des “séparateurs d’arrêt” qui peuvent arrêter la batterie si elle devient trop chaude pendant la charge ou la décharge. Les séparateurs d’arrêt sont des structures multicouches avec au moins une couche de polyéthylène qui peut arrêter le flux de courant lorsque la température monte trop haut et au moins une couche de polypropylène qui sert de support mécanique au séparateur.

L’intercalation et la décalation d’ions lithium à partir d’une électrode positive et d’une électrode négative. À l’exception du séparateur polymère, les LiPos fonctionnent sur le même principe que les ions Li. Cependant, ils sont emballés de manière très différente.

Les Li-ions sont généralement livrés dans un boîtier en acier inoxydable ou en aluminium. Le boîtier est le plus souvent cylindrique mais peut être en forme de bouton ou rectangulaire (prismatique). Le boîtier est relativement coûteux à réaliser et tend à limiter les tailles et les formes disponibles. Mais il est également robuste, aidant à protéger la batterie contre les dommages. Le boîtier est scellé à l’aide d’un procédé de soudage au laser.

La construction des batteries lithium-ion est relativement compliquée avec un grand nombre de composants. (Image: Recherche TechSci)

Les LiPos sont emballés dans une “poche” en papier d’aluminium et sont appelés cellules molles ou en poche. La poche est principalement prismatique et plus facile à fabriquer, et à moindre coût que les boîtiers en acier inoxydable ou en aluminium des ions Li. Ce type de construction permet également la production de batteries avec une variété de configurations personnalisées. Les autres composants des LiPos comprennent des couches minces de plaquettes (< 100 µm) qui peuvent être produites en série à un coût relativement faible. Le remplacement de la pochette en aluminium par le métal peut entraîner une densité d’énergie élevée et des batteries légères. Les grands formats et les hauteurs inférieures à 1 mm peuvent être atteints, mais les cellules nécessitent une manipulation mécanique minutieuse.

Construction de pochette de batterie au lithium polymère. (Image: Jauch)

L’utilisation de LiPos est soumise à de nombreux défis auxquels les utilisateurs de Li-ion doivent faire face, notamment la surcharge, la décharge excessive, le fonctionnement en surchauffe et les courts-circuits internes. De plus, l’écrasement ou la pénétration des clous dans les poches LiPo peut entraîner des défaillances catastrophiques allant de la rupture des poches aux fuites d’électrolyte et aux incendies.

Comme les ions Li, les LiPos peuvent se dilater à des niveaux élevés de surcharge dus à la vaporisation de l’électrolyte. La vaporisation de l’électrolyte peut provoquer un délaminage, provoquant de mauvais contacts entre les couches internes de la cellule, réduisant la fiabilité et la durée de vie du cycle. Cette expansion peut être particulièrement visible pour les LiPos, qui peuvent littéralement gonfler. Il peut également causer des dommages structurels au système hôte.

Le tableau ci-dessous compare les tensions et les applications typiques des six chimies de base des batteries au lithium. Les autres caractéristiques de ces batteries comprennent:

• LCO-200Wh / kg, fournissent une puissance élevée, mais avec le compromis de vies relativement courtes, de faibles puissances nominales et de faible stabilité thermique.
• LFP-120Wh / kg, ont une longue durée de vie et une stabilité à des températures de fonctionnement élevées.
• LMO–140Wh / kg, les cathodes sont à base de composants d’oxyde de manganèse abondants, peu coûteux, non toxiques et offrant une bonne stabilité thermique.
• NCA-250Wh / kg, offre une énergie spécifique élevée et une longue durée de vie.
• NMC-200Wh/kg, la variation des proportions des constituants chimiques permet le développement de batteries optimisées en tant que cellules de puissance ou d’énergie. En raison de sa flexibilité, c’est l’un des systèmes chimiques de batterie au lithium les plus performants.
• LTO-80Wh / kg, énergie spécifique la plus faible, mais peut être chargée rapidement, déchargée jusqu’à 10 fois sa capacité nominale et est sûre.

Comparaison des tensions et des applications des batteries au lithium. (Image: Recherche TechSci)

Notez que les batteries NMC, LCO et NCA contiennent du cobalt qui aide à fournir des capacités de puissance plus élevées. Ils peuvent fournir de grandes quantités d’énergie dans un petit boîtier, mais peuvent être plus sensibles aux événements thermiques pouvant causer des problèmes de sécurité.

La figure suivante comprend des diagrammes en araignée comparant les types de base de batteries Li en fonction de leur aptitude à être utilisées dans les véhicules électriques (VE). Dans ces diagrammes d’araignée, les batteries mieux adaptées aux véhicules électriques ont une zone colorée plus grande. Les facteurs pris en compte sont l’énergie spécifique, la puissance spécifique, la sécurité, les performances, la durée de vie et le coût. L’énergie spécifique en Wh/kg se rapporte à la gamme EV. La puissance spécifique en W/kg se rapporte à l’accélération EV. Dans le cas des véhicules électriques en particulier, la sécurité est une considération critique. Le paramètre de performance reflète la capacité de la batterie à être utilisée dans des conditions de température extrêmes, également une considération importante dans les applications automobiles. La durée de vie est une combinaison de cycle de vie et de longévité. Cost tente de capturer tous les coûts associés, y compris les systèmes auxiliaires pour la gestion thermique, la sécurité, la gestion de la batterie et la surveillance, et la nécessité d’une période de garantie prolongée dans les véhicules électriques.

Comparaison des performances pour diverses chimies Li-ion mesurant l’aptitude à l’utilisation dans les véhicules électriques. (Image: MDPI)

Chimies LiPo

Un électrolyte polymère améliore plusieurs performances, notamment une densité d’énergie élevée et des batteries légères. Selon la structure des couches de polymère, il peut également améliorer la sécurité de la batterie. Par rapport aux batteries Li-ion conventionnelles, les batteries LiPo peuvent être fabriquées avec une gamme plus large de densités d’énergie spécifiques (Wh / kg) et de densités de puissance spécifiques (W / kg), ce qui rend les batteries LiPo plus flexibles dans une plus large gamme d’applications potentielles. En conséquence, la technologie LiPo est utilisée dans toutes les principales chimies de batteries au lithium:

• Batterie au lithium oxyde de cobalt (LCO)
• Batterie ternaire lithium-ion (NCA, NMC)
• Batterie au lithium oxyde de manganèse (LMO)
• Batterie au lithium phosphate de fer (LFP)

Diagramme de Ragone comparant les batteries Li-ion, LiPo (PLiON) et autres batteries rechargeables. (Image: MDPI)

Batteries en aluminium-air et en polymère solide

Les batteries en polymère aluminium-air sont en cours de développement. Ces conceptions à haute densité d’énergie ont un séparateur de polymère directement en contact avec l’anode au lithium pour le séparer de la cathode. Comme dans les autres batteries polymères, le séparateur empêche la batterie de court-circuiter et absorbe l’électrolyte liquide pour soutenir le transport des ions et compléter le circuit électrique.

Malheureusement, l’anode au lithium peut former des dendrites pendant le cycle de la batterie. Ces dendrites peuvent pénétrer dans le séparateur de polymère et raccourcir la batterie. Des séparateurs modifiés sont en cours de développement et comprennent des couches d’oxyde de graphène. L’oxyde de graphène protège l’anode des contaminants et empêche les fluctuations chimiques à la surface de l’anode au lithium. L’oxyde de graphène fonctionne avec la couche de polymère pour arrêter le contact direct entre l’électrolyte et l’anode au lithium sans réduire de manière significative la conductivité ionique. Cette structure combinée ralentit la corrosion de l’électrolyte sur l’anode. On espère qu’à l’avenir, l’utilisation de deux types de couches pour stabiliser l’anode au lithium entraînera des batteries à très haute densité d’énergie avec des durées de vie raisonnables.

Des cellules avec des électrolytes polymères vraiment solides (SPE) à la place des membranes gélifiées actuelles sont également en cours de développement. Les cellules LiPo d’aujourd’hui sont considérées comme un système “hybride” entre un Li-ion conventionnel et une batterie Li-ion entièrement à semi-conducteurs. Les membranes gélifiées sont des systèmes hybrides où les phases liquides sont contenues dans la matrice polymère. Bien qu’ils puissent sembler secs au toucher, ils peuvent contenir jusqu’à 50% de solvants liquides. Les systèmes actuels sont également appelés systèmes à électrolyte polymère hybride (HPE) qui combinent le matériau polymère, le solvant liquide et le sel. Des SPE sont en cours de développement qui sont des systèmes complètement sans solvant en milieu polymère.

La nouvelle structure à semi-conducteurs peut également utiliser des cathodes de type conversion d’énergie spécifique à faible coût et élevée qui ne sont pas compatibles avec les chimies de batteries à base de liquide telles que le lithium-ion. Un exemple est un électrolyte solide sulfuré exclusif qui supporte le silicium et le lithium métal à haute teneur dans l’anode, associé à des cathodes standard et commercialement matures, y compris des oxydes de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC). Les nouvelles cathodes peuvent être combinées avec du lithium métal pour éliminer le cobalt et le nickel et pourraient réduire les coûts de la matière active de la cathode de 90%.

Une feuille de route de développement de batteries à semi-conducteurs élimine le cobalt et le nickel de la cathode (à l’extrême droite). (Image: Puissance solide)

Des cellules à semi-conducteurs ont été produites, délivrant 2Ah à l’aide d’équipements et de procédés lithium-ion standard de l’industrie. La production commerciale d’une cellule d’anode en silicium à haute teneur de 20 Ah est prévue d’ici la fin de 2021, et 100 Ah devrait suivre en 2022.

Résumé

LiPos offre plusieurs améliorations de performances par rapport aux ions Li, notamment une densité d’énergie plus élevée et des batteries plus légères. De plus, les LiPos peuvent être produits dans une plus grande variété de formes et de tailles. Cependant, les LiPos d’aujourd’hui utilisent des membranes gélifiées, pas des électrolytes polymères entièrement solides (SPE). Les SPE sont en cours de développement et pourraient étendre les avantages de performance des LiPos dans certaines applications. Les batteries en polymère aluminium-air offrent le potentiel de densités d’énergie très élevées (ce qui entraîne des portées plus longues pour les véhicules électriques) et de bonnes durées de vie. Des batteries au lithium grand format entièrement à semi-conducteurs sont à l’horizon pour plus tard en 2021.

Technologies actuelles des Batteries Li-Ion dans les Véhicules électriques et Opportunités de Progrès, MDPI
Différents types de batteries au Lithium Polymère, Grepow
Introduction à la Technologie des Batteries au Lithium Polymère, Jauch
Batterie au Lithium polymère, Wikipedia
Fabrication de batteries au Lithium-ion, Recherche TechSci
Types de Batteries au Lithium-ion, Université de la batterie