Le lithium ion Les batteries sont largement utilisées dans le stockage d'énergie et les applications de véhicules électriques en raison de leur sécurité, de leur longue durée de vie et de leurs performances stables. Dans cet article, nous explorerons ce qui Lithium ion batteries sont, comment ils fonctionnent, leur histoire, matériaux, processus de fabrication, avantages et inconvénients, comparaisons avec Autres batteries, conseils pour choisir les meilleurs fabricants et leur demande du marché.
1. Qu ' est-ce qu ' une batterie lithium-ion ?
La batterie lithium-ion (Li-ion) est une technologie de batterie rechargeable qui utilise le mouvement des ions lithium pour réaliser le stockage et la libération d'énergie. Les batteries au lithium-ion ont les caractéristiques d'une densité énergétique élevée, d'un faible taux d'auto-décharge, d'aucun effet mémoire, d'une longue durée de vie, etc. Ils sont les types de batteries les plus courants pour l'électronique grand public, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie.
1.1 Structural composition:
1.1.1 Positive electrode: the source of storage and release of lithium ions, which determines the voltage and energy density of the battery. Typically made from lithium iron phosphate (LiFePO₄), ternary lithium (NCM/NCA), or lithium manganate (LiMn2O4).
1.1.2 L'électrode négative est utilisée pour stocker des ions lithium et libérer des ions lithium lorsqu 'ils sont déchargés. Le matériau principal est le graphite (C), le composite carbone silicium ou le titanate de lithium (LTO).
1.1.3 Electrolyte: Acting as a transport medium for lithium ions, usually a lithium salt (such as lithium hexafluorophosphate LiPF₆) dissolved in an organic solvent
1.1.4 Diaphragme : Matériau à membrane poreuse qui permet aux ions lithium de passer mais empêche les électrons de court-circuiter directement. Diaphragmes polyoléfines (PE, PP) couramment utilisés.
2.Comment fonctionnent les batteries lithium-ion
Une batterie au lithium-ion est un dispositif électrochimique rechargeable basé sur le principe de conversion de l'énergie électrique et chimique par l'insertion et la désinsertion d'ions lithium (Li +) entre les électrodes positives et négatives.
2.1. Charge process (Li + from positive → negative)
Lorsque la batterie est chargée, une alimentation externe applique une poussée de tension :
Les ions et les électrons de lithium sont libérés du matériau cathodique :
LiCoO2 →Li1-XCoO₂ + xLi+ +Xe-
Les ions lithium (Li +) traversent le diaphragme à travers un électrolyte et migrent vers l'électrode négative.
Electrons (e⁻) are synchronized to the negative electrode by an external circuit. The negative electrode (such as graphite) is embedded in the lithium ion, forming a LiC₆
xLi++xe-+C6→ LixC6
À ce moment-là, l'énergie électrique est « stockée dans l'électrode négative » pour compléter la charge.
2.2 Discharge process (Li + from negative → positive)
Lorsque la batterie est déchargée (alimentation électrique), la direction de la réaction électrochimique est inversée :
2.2.1 Les atomes de lithium dans l'électrode négative libèrent des ions lithium et des électrons
2.2.2 Les ions lithium retournent à l'électrode positive à travers l'électrolyte
2.2.3 Les électrons circulent le long du circuit externe vers le terminal positif, produisant un courant de sortie
2.2.4 L'électrode positive est ré - intégrée dans l'ion lithium pour compléter la libération d'énergie
3. Historique du développement des batteries lithium-ion
Le développement des batteries lithium-ion s'étend sur des décennies, couvrant de multiples étapes, des propositions théoriques, des percées technologiques aux applications commerciales et à l'exploration de technologies futures. Ce qui suit est ses nœuds temporels clés et les étapes de progrèsÉtape de fondation théorique
3.1 1958 : physico-chimiste Gilbert N. Lewis a d'abord proposé le concept de « batterie au lithium ».
Début des années 1970 : Dr. M. S. Whittingham développe la première batterie au lithium métal, utilisant une électrode positive TiS2 + lithium métal négative, mais elle présente de sérieux problèmes de sécurité (short-circuit et explosif).
À ce stade, bien que la densité énergétique des batteries au lithium métal soit élevée, les risques pour la sécurité causés par les dendrites au lithium sont difficiles à surmonter.
3.1. Principe de batterie lithium-ion établi
1980: Professor John B. Goodenough invented lithium cobalt oxide (LiCoO₂) cathode material, voltage up to 4V, opening the era of high energy batteries.
1985 : à Le Dr Akira Yoshino d'Asahi Kasei, au Japon, a utilisé le graphite comme matériau d'électrode négative pour la première fois pour développer un prototype de batterie lithium-ion « sans métal », améliorant considérablement la sécurité.
1986 : Le Japon commence la production d'essai à petite échelle de prototypes de batteries lithium-ion.
Yoshino, connu sous le nom de « père des batteries lithium-ion », a partagé le prix Nobel de chimie 2019 avec Goodenough et Whittingham.
3.2. La commercialisation décolle - Sony lance la première batterie lithium-ion commerciale au monde
En 1991 : Sony du Japon, en partenariat avec Asahi Kasei, lance la première batterie lithium-ion commerciale pour les appareils photo à haute densité énergétique, longue durée de vie et sécurité supérieure.
À la fin des années 1990, les ordinateurs portables et les téléphones mobiles ont rapidement adopté les batteries au lithium, ce qui a conduit à une explosion de l'industrie.
Cela marque l'ouverture officielle de l'ère commerciale des batteries lithium-ion.
3.4. Innovation matérielle et applications multiples
2001: Lithium iron phosphate (LiFePO₄) was developed as a new positive electrode material with improved safety for power and energy storage.
Depuis 2005 : le ternaire (NCM / NCA) a été mis en industrialisation pour améliorer la capacité Cycle et performances.
2008 : Tesla lance la première voiture électrique Roadster, utilisant une batterie cylindrique lithium-ion (18650), les véhicules électriques dans la vision grand public.
Une variété de nouveaux matériaux, structures cellulaires (sacs mous, cylindres, carrés) ont commencé à émerger.
3.3. L'industrie éclate et Révolution du stockage énergétique
Après 2010 : l'augmentation de la demande de véhicules électriques et de systèmes de stockage d'énergie domestique a conduit au développement rapide du marché des batteries au lithium.
2013 : BYD lance le bus électrique au phosphate de fer au lithium.
2015 : Tesla lance le Powerwall, un système de stockage d'énergie domestique.
2018 : Les livraisons mondiales de batteries au lithium dépassent les 100 GWh pour la première fois.
La Chine, la Corée du Sud, le Japon ont formé la « batterie au lithium trois forte », CATL, BYD, LG, Samsung SDI et d'autres augmentations rapides.
3.4. Haute énergie, État solide, exploration de nouveaux systèmes
après 2020 : De nouveaux systèmes tels que les batteries à l'état solide, l'anode silicium-carbone, les batteries sans cobalt et les batteries sodium-ion sont continuellement développés.
2021: CATL libère des échantillons de batterie sodium-ion.
2022 : BYD lance la « batterie à lame », utilisant le LFP pour améliorer la sécurité et l'utilisation de l'espace.
2023 : Le lithium mondial ion Les livraisons de batteries dépassent les 700 GWh, et le déploiement à grande échelle des systèmes de stockage d'énergie s'accélère.
Depuis 2024, les centrales électriques de stockage d'énergie de grande capacité et les systèmes de stockage d'éclairage domestique sont devenus le marché principal.
4. Explication détaillée des principaux matériaux des batteries au lithium-ion
4.1 Matériau cathodique :
4.1.1 Lithium cobaltate LiCoO₂ : High energy density, often used in mobile phones and other devices
Matériau ternaire NCM / NCA : le choix courant pour les véhicules électriques, compte tenu de la densité énergétique et du coût
Lithium Iron phosphate LiFePO₄ : Long life, high safety. Suitable for energy storage and household systems
Lithium manganate LiMn₂O₄ : Low cost, but relatively poor life and stability
4.1.2 Matériau de l'anode (anode) :
Le graphite : matériau courant, mature et stable
Composites silicium-carbone (Si-C) : densité énergétique plus élevée, mais grande expansion de volume, doit être contrôlée
Titanate de lithium (LTO) : cycle de vie extrêmement long, adapté pour les applications à haut débit
4.1.3 Électrolyte :
Composed of lithium salts (such as LiPF₆) and organic solvents, it conducts lithium ions
Les électrolytes à l'état solide ont été développés ces dernières années pour améliorer la sécurité
1.4.4 Séparateur :
La plupart d'entre eux sont des films microporeux PP / PE avec fonction de fermeture thermique pour empêcher les courts-circuits.
4.2 Perspectives de batterie au phosphate de fer au lithium (LiFePO4)
La batterie au phosphate de fer au lithium (LFP) avec sa haute sécurité, sa longue durée de vie et son faible coût, est devenue la technologie dominante absolue dans le domaine du stockage d'énergie.
4.2.1 Principaux scénarios d'application dans le domaine du stockage d'énergie
Stockage d'énergie côté réseau (fin de production + fin de transmission et de distribution).
Modulation de crête et de fréquence : la vitesse de réponse de la batterie LFP peut atteindre des millisecondes, peut remplacer les turbines à gaz traditionnelles, réduire les coûts de fluctuation du réseau.
Production en douceur d'énergie renouvelable : soutenir les projets photovoltaïques / éoliens pour résoudre les problèmes d'intermittence (comme la centrale de stockage d'énergie LFP de 600 MWh dans la province du Qinghai, en Chine).
Démarrage noir : fournit un soutien pour la restauration rapide de l'alimentation électrique après une panne de réseau (comme le système de stockage d'énergie LFP de 182,5 MW en Californie, États-Unis).
Stockage énergétique côté utilisateur (Industriel & Commercial + Domestic)
Arbitrage de Peak-Valley : Les utilisateurs industriels et commerciaux profitent de la différence de prix (comme la différence de prix de pointe à vallée de la Chine dépassant 0,1 USD / kWh), et la période de remboursement de l'investissement est réduite à 5 - 7 ans.
Alimentation électrique en veille : centres de données, hôpitaux et autres scénarios sensibles, cycle de vie LFP de plus de 6000 fois, réduire la fréquence de remplacement
Systèmes de stockage lumineux ménagers : La pénétration du LFP sur le marché européen du stockage domestique passe de 20% en 2020 à 60% en 2023 (Tesla Powerwall 3 commute entièrement le LFP).
4.3 Nouveaux scénarios d'application
4.3.1 Stockage d'énergie de la station de charge des véhicules électriques : tampon de la charge du réseau et de soutenir la demande haute tension de la pile de charge rapide (tel que la station intégrée "stockage et charge optique" coopérée par CATL et Star Charge).
4.3.2 Microgrid et alimentation hors réseau : Indépendance énergétique dans les zones / îles reculées (comme le projet de stockage d'énergie hors réseau LFP de 50 MWh en Tanzanie, en Afrique).
4.4. Les principaux avantages de LFP, leader du marché du stockage d'énergie
4.4.1 Roulage économique
Coût au kilowatt-heure (LCOS) : Le système de stockage d'énergie LFP LCOS a été réduit à 0,02 - 0,04 USD / heure, inférieur à celui des batteries ternaires (0,0,045 - 0,0,06 USD / heure) et des batteries au plomb-acide (0,085 USD / heure).
Durée de cycle : 6000 cycles (taux de rétention de capacité de 80 %) contre 3000 cycles pour les batteries ternaires, 500 cycles pour les batteries au plomb-acide.
4.4.2 Performances de sécurité exceptionnelles
Thermal stability: LFP thermal runaway temperature > 500℃, much higher than ternary battery (200℃), through acupuncture, overcharge and other safety tests.
Controverses sur le nickel sans cobalt contourner le monopole des ressources du cobalt-nickel dans les matériaux ternaires (les mines de cobalt congolaises représentent 70 %) et le danger moral (travail des enfants).
Répondre aux exigences du scénario de stockage d'énergie
Faible taux d'auto-décharge : auto-décharge mensuelle < 2 %, adapté aux scénarios d'alimentation électrique de secours à long terme.
Large plage de température : fonctionnement stable de -30 ° C à 60 ° C grâce à l'optimisation de la formulation des électrolytes (par exemple, l'ajout de LiFSI).
4.5. Modèle du marché mondial et dynamique concurrentielle
Taille du marché et croissance
Chine : nouvelle capacité installée de stockage d'énergie de 21,5 GW en 2023, LFP représentait plus de 95%b), objectif de planification 2025 de 60 GW.
Europe et États-Unis : Le projet de loi américain IRA favorise l'augmentation de la capacité installée de stockage d'énergie de 200% en 2023, et la proportion de LFP passe de 30% à 65% ; Le taux de pénétration de LFP sur le marché européen du stockage domestique dépasse 70 %.
Les marchés émergents : la demande de stockage d'énergie en Asie du Sud-Est et en Afrique augmente de 50% par an, et les fabricants chinois dominent les exportations.
5. Processus de production des batteries lithium-ion
Le processus de fabrication de la batterie au lithium est strict, y compris principalement les cinq étapes suivantes :
1. Electrode preparation
Mix : Matériau actif + liant + agent conducteur
Revêtement : La pâte est appliquée uniformément sur la feuille d'aluminium / cuivre
Séchage : éliminer le solvant
Compaction : Augmenter la densité et la consistance de la plaque de pôle en roulant
2. Assemblée Batterie
Coupe de pôles et laminage / enroulement : La structure du noyau est formée en fonction du type de cellule
Diaphragm insertion: prevents short circuit
Injection d'électrolytes
Étanchéité de l'emballage : Utilisez une coquille en aluminium, un emballage souple ou une forme d'emballage cylindrique
3. Formation et séparation
Formation : première charge et décharge pour former un film SEI stable
Capacité : Testez la capacité, la tension, la résistance interne de chaque cellule et le tri de la qualité
4. Module/battery pack assembly
Configuration parallèle / série : les modules sont assemblés en fonction des exigences de tension et de courant du système
Système BMS intégré : Surveillance de la température, de la tension et du courant pour un fonctionnement sûr
5. Inspection finale et livraison
Test de qualité : y compris la capacité, la vie, la chute, le cycle de température, etc.
6.Avantages et inconvénients des batteries lithium-ion
Avantages :
1 Haute densité énergétique : taille légère, puissance forte
Longue vie : la durée de vie du cycle peut atteindre plus de 2000 ~ 6000 fois
3. Faible taux d'auto-décharge : le stockage à long terme n'est pas facile à perdre de l'énergie
4. Pas d'effet mémoire : Il peut être utilisé à la demande
5. Emballage diversifié : adapté aux différentes exigences d'équipement (emballage souple, cylindre, carré)
Cons:
1. Coût élevé : le prix des matières premières au lithium de haute qualité fluctue fortement
2. Sensible à la température : les performances baissent sous haute température ou extrêmement froide
3. Risque de fuite thermique : une mauvaise conception / BMS peut entraîner une surchauffe ou un incendie
4. Forte dépendance aux ressources : dépend du lithium, du cobalt, du nickel et d'autres ressources
7. Conseils pour choisir un fabricant de batterie au lithium de qualité
7.1 Voici les conseils pour choisir un bon fabricantr
1. Si les solutions personnalisées sont prises en charge
2. Avoir un système de contrôle fiable BMS et EMS
3. Si elle a passé la certification faisant autorité (tel que UN38.3, CE, IEC62619)
4. S'il y a des cas de projet réels et le bouche - à - oreille des utilisateurs
5. Période de garantie et rapidité de réponse après-vente
6. Répondre aux exigences d'application du scénario de stockage d'énergie (système de contrôle de température, système de protection incendie, compatibilité du protocole de communication)
7.2 .Pourquoi choisir le système de stockage d'énergie Brovolt Batteries lithium et lithium-ion?
Brovolt s'engage à fournir des solutions de stockage d'énergie sûres, intelligentes et efficaces à ses clients dans le monde entier. Avec sa technologie de pointe et ses services de haute qualité, il a gagné une large reconnaissance de la part des clients. Voici six raisons pour lesquelles nous nous distinguons :
7.1. Support customized solutions
Brovolt fournit un ensemble complet de services de personnalisation du système de stockage d'énergie, qui peuvent adapter la capacité de la batterie, le niveau de tension, le protocole de communication, la structure de l'armoire et d'autres paramètres en fonction des besoins spécifiques des utilisateurs, et s'adapter à divers scénarios d'application tels que résidentiels, industriels et commerciaux, hors réseau, micro-réseau, etc.
7.2.Équipé de systèmes de contrôle BMS et EMS avancés
Le système est doté d'un système de gestion intelligente de la batterie (BMS) et d'un système de gestion de l'énergie (EMS) intégrés pour réaliser :
Surveillance en temps réel et avertissement des défauts
Contrôle à distance et docking de plateforme cloud de données
Planification d'optimisation énergétique pour améliorer l'efficacité et la durée de vie du système
7.3. Passed multiple international authoritative certifications
Les produits de stockage d'énergie Brovolt ont passé les certifications de normes internationales suivantes pour assurer la conformité et la fiabilité des produits à l'échelle mondiale :
UN38.3: Transportation safety certification
CE : Norme européenne d'accès au marché
IEC62619 : Norme internationale pour la sécurité des batteries au lithium-ion
7.4. Cas réels de projets + réputation client
Les produits Brovolt ont été largement utilisés dans des projets de stockage d'énergie au Nigeria, au Kenya, en Afrique du Sud et ailleurs, couvrant la sauvegarde électrique domestique, le rasage de pointe industriel et commercial et le remplissage de la vallée, le stockage d'énergie côté réseau, etc. avec de bons commentaires des clients et des capacités d'atterrissage de projet testables.
7.5. Période de garantie longue et réponse après-vente rapide
La garantie standard est de 5 ans, qui peut être prolongée à 10 ans
Fournir un mécanisme de réponse dans les 24 heures, le diagnostic à distance et le soutien technique
7.6. Répondre pleinement aux besoins des scénarios d'application de stockage d'énergie
Système de contrôle de température intégré (air conditionné / refroidissement par air / refroidissement par liquide) pour maintenir la stabilité du système
Système de protection incendie intégré (aérosol / détection de fumée) pour assurer la sécurité
Compatible avec les onduleurs de marque traditionnelle, prenant en charge Modbus, RS485, CAN et autres protocoles
Nous fournissons non seulement des batteries, mais aussi un système d'énergie complet, sûr et fiable.Choisissez Brovolt pour illuminer l'avenir vert de chaque famille et entreprise
8.Tendances futures et demande du marché des batteries lithium-ion
La demande du marché des batteries au lithium continuera de croître rapidement, tirée par :
1. Système de stockage d'énergie renouvelable
2. Electrification des véhicules électriques, autobus, deux roues, etc.
3. Demande universelle d'électricité dans les pays en développement (par exemple en Afrique)
4. Système indépendant (PV + stockage d'énergie)
5. Les nouvelles technologies (état solide, ion sodium, amélioration des électrolytes) continuent de progresser.
Selon les prévisions du marché, d'ici 2030, la capacité de production annuelle mondiale de batteries au lithium dépassera les 5 TWh et les systèmes de stockage d'énergie deviendront l'un des secteurs d'application à la croissance la plus rapide.
9. Conclusion
Les batteries lithium-ion ne sont pas seulement la pierre angulaire de la science et de la technologie modernes, mais aussi un important moteur de la transformation énergétique. Avec le progrès technologique et la production de masse, il deviendra plus sûr, plus efficace et plus économique. Pour les entreprises et les utilisateurs individuels, le choix de fabricants et de solutions de systèmes de batteries au lithium matures sera une étape clé vers un avenir énergétique vert.
