Comment créer des batteries

Presque tous les gadgets modernes sont unis par un détail - ils ont une batterie rechargeable. Et sa capacité reste l'un des principaux critères lors du choix d'un appareil. Nous vivons dans une ère de mobilité et les besoins en batteries augmentent chaque année.

Les batteries d'ordinateurs portables (et bien d'autres) sont constituées d'éléments énergétiques disposés dans des cellules connectées les unes aux autres. Les ordinateurs portables, comme la plupart des autres appareils mobiles, fonctionnent avec des batteries lithium-ion ou lithium-polymère.

Peu de gens pensent à quel point il est difficile de créer une batterie qui répond aux exigences de l'époque. Aujourd'hui, vous apprendrez comment ils sont produits à l'échelle industrielle ... à commencer par les éléments chimiques.

Li-ion - lithium-ion

Une batterie lithium-ion répandue se compose d'électrodes (une cathode en feuille d'aluminium et une anode en cuivre) séparées par un séparateur poreux imprégné d'un électrolyte liquide. Le boîtier d'électrodes est placé dans une enceinte étanche, les cathodes et les anodes sont connectées aux bornes du collecteur de courant. Le boîtier est parfois équipé d'une soupape de sécurité qui relâche la pression interne en cas d'urgence ou de violation des conditions de fonctionnement.


Une batterie rechargeable au lithium-ion typique se compose d'une électrode positive (verte), d'une électrode négative (rouge) et d'une couche de séparation les séparant (jaune). Les ions lithium (Li +, bleu) passent de l'électrode négative (anode) au positif (cathode). Pendant la charge, le processus inverse se produit, les ions lithium sont transférés à l'anode. Source

La batterie au lithium-ion a une densité d'énergie élevée, mais elle se décharge rapidement lorsqu'elle est utilisée par temps froid et peut être explosive si elle est rechargée au-dessus de 4,2 V. Si vous percez la batterie au lithium-ion et créez un court-circuit, elle s'allumera et un très fort incendie se produira qui ne peut pas être facilement éteindre à l'aide d'un extincteur ordinaire. C'est pourquoi de nombreuses batteries de ce type sont équipées d'une protection spéciale.

Li-po - lithium polymère

La batterie au lithium-polymère (batterie au lithium-ion polymère) est une conception avancée de la batterie au lithium-ion. Dans une telle batterie, ce n'est pas un liquide qui est utilisé comme électrolyte, mais un matériau polymère sec (plastique synthétique). Contrairement au Li-ion, le Li-po est plus sûr, peut dégager de forts courants et, grâce au matériau polymère, peut avoir n'importe quelle épaisseur et forme.

Li-po et technologie

Un ordinateur portable équipé d'une batterie lithium-polymère prend en charge 3 fois plus de cycles de charge (c'est-à-dire dure 3 fois plus longtemps) qu'un ordinateur portable avec une batterie lithium-ion standard.

L'efficacité énergétique est obtenue non seulement en raison des propriétés chimiques de la batterie. Si l'ordinateur portable reste connecté à la charge alors que la batterie est déjà complètement chargée, cela peut entraîner une détérioration des performances de la batterie et, par conséquent, une diminution de sa durée de vie. Cela peut également faire gonfler la batterie en raison de l'accumulation de gaz interne causée par l'oxydation, et donc déformer ou endommager l'ordinateur portable. Des technologies logicielles supplémentaires vous permettent de définir le niveau de charge maximum de 60%, 80% ou 100%, pour prolonger la durée de vie de la batterie et réduire la probabilité de gonflement.

Les ordinateurs portables sont également équipés d'un mécanisme de charge rapide, avec lequel la batterie se charge en quelques dizaines de minutes un peu plus de la moitié.

Li-po contre Li-ion

Les électrodes positive et négative Li-po et Li-ion ont une composition chimique similaire. La principale différence entre les deux types de batteries réside dans la façon dont elles sont disposées. Avec la technologie lithium-ion pour le boîtier, vous ne pouvez choisir qu'un boîtier en métal dur, tandis que la technologie lithium-polymère vous permet d'utiliser un boîtier souple pour le boîtier (plastique ou feuille d'aluminium). Avec une épaisseur allant jusqu'à 3 mm, Li-po a un avantage en termes de capacité. Avec une épaisseur de plus de 3 mm, le Li-ion offre un avantage de prix significatif.

Il existe d'autres types de batteries au lithium: LiFePO4 - lithium-fer-phosphate, LiFeYPO4 - lithium-fer-yttrium-phosphate, etc. Ils diffèrent par divers additifs qui améliorent les performances de la batterie. Cependant, la plupart des nouvelles expériences sont basées sur le même métal, qui a remplacé les batteries nickel-cadmium et nickel-hydrure métallique autrefois populaires.

Lithium

Métal argenté très léger et très doux.

Les premiers travaux dans le domaine de la création d'une batterie rechargeable au lithium ont débuté en 1912, mais jusque dans les années 1970, les expériences n'allaient pas au-delà du laboratoire à cause de l'instabilité du lithium. Dans les années 1980, sur la base des technologies développées à l'Université d'Oxford, les premières batteries industrielles au lithium ont commencé à apparaître, qui ont rapidement surchauffé et échoué. Ce n'est qu'en 1991 qu'une batterie a été créée dans laquelle le lithium métal a été remplacé par une forme ionique plus sûre.
Le lithium a gagné une popularité bien méritée en raison de ses propriétés spéciales. C'est l'un des métaux les plus légers du tableau périodique, ce qui aide vraiment à maintenir de grandes quantités d'énergie dans un petit volume et avec peu de poids. Cependant, la popularité du lithium aujourd'hui peut conduire à l'épuisement de ce métal à l'avenir.



L'extraction du lithium est un processus laborieux, même dans les régions où il y a beaucoup de métal. Pendant des décennies, la production commerciale de lithium a été basée sur des sources de minerai comme le spodumène, la pétalite et la lépidolite. Cependant, l'extraction du lithium du minerai représente le double du coût de production des solutions salines.

Les principaux gisements de lithium appropriés pour un développement actif se trouvent en Amérique du Sud et en Chine. En Russie, le lithium est le plus abondant dans le mica qui accompagne les gisements de terres rares. Jusqu'à récemment, l'extraction du lithium du mica était trop chère, mais en 2017, les scientifiques de NUST «MISiS» ont présenté une installation qui rendait l'extraction des composés du lithium du minerai pauvre deux fois moins chère.

Aujourd'hui, la majeure partie du lithium est extraite des lentilles d'eau naturelles des lacs salés, dans des solutions salines saturées contenant du chlorure de lithium, du potassium et du sodium. La solution est pompée et évaporée au soleil, le mélange de sels résultant est traité.

Récupération de lithium

Uyuni solonchak contient environ 100 millions de tonnes de lithium, soit 50 à 70% de ses réserves mondiales .

La plus grande source de lithium en Bolivie est le solonchak d'Uyuni, un lac salé asséché situé à une altitude d'environ 3650 m d'altitude. Elle a une superficie de 10 588 km². La partie intérieure est recouverte d'une couche de chlorure de sodium de 2 à 8 m d'épaisseur. Le chlorure de lithium, qui est en grande quantité ici, convient à l'extraction du lithium de celui-ci, et auparavant il était utilisé comme substitut du sel ordinaire. Manger, il a cessé après la découverte d'effets toxiques.


Étang de sel de lithium en Argentine.

Pour extraire le lithium, les solutions salines sont d'abord pompées à la surface dans des bassins spéciaux où, sous l'influence du soleil, une lente évaporation se produit pendant plusieurs mois. Lorsque le chlorure de lithium dans les bassins d'évaporation atteint la concentration optimale, la solution est pompée vers une usine de récupération, où les impuretés indésirables sont éliminées du mélange par filtration.

La conversion du lithium en métal s'effectue dans une cellule électrolytique. Le chlorure de lithium est mélangé avec du chlorure de potassium dans un rapport de 55% à 45% afin de produire un électrolyte eutectique fondu. Ensuite, le lithium fondu est obtenu par électrolyse de la masse fondue à une température de 600 ° C, qui remonte à la surface de l'électrolyte.

Autres éléments chimiques

Composantes du coût des batteries Li-ion.

À l'intérieur de la batterie lithium-ion , plusieurs matériaux de cathode peuvent être utilisés . Initialement, le cobalt était le composant principal de la cathode, mais il a une disponibilité limitée dans la nature et est toxique, ce qui est un énorme inconvénient pour la production de masse. Aujourd'hui, le cobalt est partiellement remplacé par le nickel, ainsi qu'un mélange de cobalt, de nickel et de manganèse.

Une batterie sûre et durable a besoin d'un électrolyte fiable qui peut résister à la tension existante et aux températures élevées et a une longue durée de vie, offrant une grande mobilité des ions lithium. Les solutions d'électrolytes sont constituées de solvants organiques, de sel LiPF6 (hexafluorophosphate de lithium) et de divers additifs.

L'électrolyte de haute pureté joue un rôle clé dans le transport des ions lithium positifs entre la cathode et l'anode. Les additifs électrolytiques améliorent la stabilité en empêchant la dégradation de la solution. La composition des électrolytes varie en fonction des matériaux d'anode et de cathode utilisés, cependant, le choix de l'électrolyte implique souvent un compromis entre l'inflammabilité et les caractéristiques électrochimiques.

Les électrolytes polymères sont des polymères conducteurs d'ions. Ils sont souvent mélangés dans des composites avec des nanoparticules de céramique, ce qui conduit à une conductivité et une résistance plus élevées à des tensions plus élevées.

Dans les batteries lithium-ion, une variété de feuilles métalliques sont utilisées comme collecteurs de courant - cuivre, nickel ou feuille de cuivre catalytique. En règle générale, une feuille de cuivre est placée comme électrode négative pour le collecteur de courant d'anode, et une feuille d'aluminium est utilisée comme électrode positive pour le collecteur de courant de cathode.


Construire une batterie Li-po

L'anode est constituée d'un mélange de graphite et de lithium (il est également possible d'utiliser des composés intermétalliques ou du silicium), tandis que la cathode combine du lithium et d'autres métaux (les matériaux de la cathode nécessitent une pureté extrêmement élevée et doivent être presque complètement nettoyés des impuretés métalliques indésirables - fer, vanadium et soufre) .

Un matériau séparateur en polypropylène, polyéthylène ou autre matériau polymère similaire sépare la cathode de l'anode. Les séparateurs de la plupart des batteries sont constitués de films plastiques très simples qui ont la bonne taille de pore pour permettre aux ions de se déplacer tout en bloquant d'autres éléments. Dans le cas de l'électrolyte liquide, le séparateur est un matériau en mousse imprégné d'électrolyte et le maintient en place.

Processus de fabrication des batteries

Les bases de l'anode et de la cathode sont fournies à l'usine sous forme de poudre noire et, pour l'œil non préparé, elles sont presque indiscernables les unes des autres. Poudre très fine pour obtenir une surface d'électrode efficace maximale. La forme des particules est également importante. Les grains sphériques lisses à bords arrondis sont préférés car les bords tranchants ou les surfaces squameuses sont sensibles aux charges électriques élevées.

Les anodes et cathodes des batteries au lithium ont la même forme et sont réalisées par des procédés similaires sur un équipement identique. Mais comme la contamination entre les matériaux d'anode et de cathode entraînera la destruction de la batterie, ils sont généralement traités dans différents ateliers pour éviter tout contact avec les matériaux.



La première étape de production consiste à mélanger les matériaux des électrodes et à appliquer la suspension à la surface de la feuille. Les matériaux des électrodes actives sont recouverts des deux côtés d'une feuille métallique, qui agit comme un collecteur de courant qui conduit le courant à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Ensuite, la feuille avec des matériaux est séchée, coupée en bandes étroites et pliée en plusieurs couches. Cela nécessite une surveillance constante, car toute bavure sur les bords des bandes d'aluminium peut entraîner des courts-circuits internes dans les cellules.



Pendant l'assemblage de la batterie, le séparateur est serré entre l'anode et la cathode. Après avoir placé la batterie dans le boîtier, elle est remplie d'électrolyte et scellée. Cela doit être fait dans une «pièce sèche» car l'électrolyte réagit avec l'eau. L'humidité décomposera l'électrolyte et dégagera des gaz toxiques.


Les électrodes sont placées dans le boîtier, laissant un trou pour l'ajout d'électrolyte /

Une fois l'assemblage de cellule terminé, il doit passer par au moins un cycle de charge / décharge contrôlé. Le processus de charge commence par une basse tension, qui augmente progressivement. Ce n'est qu'après avoir réussi le test que la batterie quitte l'usine et continue.

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À l'avenir, sans aucun doute, de nouveaux types de batteries apparaîtront. Peut-être que le lithium restera dans le passé. Dans l'intervalle, il existe encore de nombreuses possibilités d'améliorer les performances des batteries existantes.