Amélioration des performances de la batterie grâce à la chimie

[ * Le titre de l'article fait allusion au nom du premier album studio de Fatboy Slim, «Better Living Through Chemistry» / env. perev. ]



Une batterie au plomb ne peut pas être considérée comme un miracle de l'ingénierie moderne. Il est très fiable et facile à utiliser, et pour le charger, il vous suffit de lui appliquer une tension fixe et d'attendre un peu; en conséquence, la batterie se charge et reste complètement chargée - c'est tout. De l'autre côté de cette simplicité se trouvent leur taille, leur poids, leur densité énergétique et la toxicité des matériaux.

Une batterie au lithium est un succès moderne, cependant, sa densité d'énergie élevée conduit au fait que son petit boîtier peut se mettre en colère et devenir très dangereux s'il est maltraité. Les scientifiques recherchent des options de batterie plus sûres, des systèmes de charge améliorés, des formules pour prolonger la durée de vie de la batterie qui pourraient être rechargées des milliers de fois, et une publication récente a suscité beaucoup de réactions enthousiastes.

Tenez compte des exigences relatives à la cellule de la batterie dans un véhicule électrique:

• Haute densité d'énergie (grande quantité d'énergie dans une petite batterie).
• Possibilité de charge rapide.
• Possibilité de décharge rapide.
• BEAUCOUP de cycles de charge / décharge.
• Auto-décharge faible.
• La sécurité

À l'heure actuelle, les batteries au lithium-ion sont la meilleure option, mais il existe de nombreuses réactions chimiques avec le lithium, et selon l'utilisation prévue, l'équilibrage et la charge, vous pouvez optimiser diverses options de réaction pour différentes caractéristiques de performance. Bien qu'il n'y ait pas de batterie parfaite, les demandes contradictoires garantissent la disponibilité de plusieurs options sur le marché.

Comment fonctionne le lithium + ion

Décharge d'une batterie Li-ion

Toutes les batteries fonctionnent de la même manière. Il y a trois composants: anode, cathode et électrolyte. Une réaction chimique entre un électrolyte et des électrodes (anode et cathode) crée des ions près d'une électrode et des électrons à côté d'une autre, entraînant une différence de potentiel. Les paires d'électrodes sont faites de différents matériaux. L'anode est en graphite lié au cuivre et la cathode est un cristal de lithium lié à l'aluminium. L'électrolyte fonctionne comme un isolant, il est donc plus facile pour les électrons de passer d'une électrode à l'autre à travers un circuit qu'à l'intérieur de la batterie. À la fin de la réaction, la batterie se décharge et la réaction ne se poursuivra plus si les électrons n'ont nulle part où aller. Pour charger la batterie, le processus s'inverse et la tension fournie à l'électrolyte démarre la réaction dans la direction opposée. Tous les électrolytes ne sont pas créés égaux; La chimie de la batterie, qui ne peut pas être rechargée, lui permet de stocker plus d'énergie, mais l'application d'une tension inverse ne déclenche pas la réaction chimique.

Les capacités de la batterie sont mieux révélées en augmentant la surface des électrodes, il est donc préférable de faire un sandwich à partir de l'anode, de l'électrolyte et de la cathode aussi mince que possible et avec une plus grande surface de contact. Le sandwich comprend également plusieurs tranches d'autres matériaux poreux qui permettent aux ions de passer mais empêchent les matériaux de migrer. Prenez quelques-uns de vos sandwichs de batterie et empilez-les ensemble, en alternance avec des séparateurs. Le résultat est soit une batterie plate (une cellule bon marché dans un boîtier argenté), soit une batterie prismatique (une batterie à la mode que vous ne trouverez pas sur un ordinateur portable), ou si vous la tournez dans un tube - une batterie cylindrique (par exemple, 18650 ou AA) .

Batterie Million Mile

Vous avez peut-être déjà lu la nouvelle que Tesla promet de libérer une batterie qui dure un million de kilomètres. Le vrai travail a été effectué par un groupe de chercheurs de l'Université de Dalhousie à Halifax (Canada) dans le cadre d'un contrat avec Tesla, cependant, ils ont effectué de nombreux tests sur diverses batteries Li-ion pour trouver la meilleure combinaison d'éléments chimiques, ainsi que les profils d'utilisation et de charge. Une batterie Million Mile n'est qu'un piège marketing décrivant des recherches qui optimisent les formules chimiques des batteries pour augmenter leur durée de vie. Le travail lui-même est rempli de jargon technique , j'ai donc étudié la question des batteries tout le week-end pour faire une sélection.

La première chose à noter concernant leur formule «un million de miles» - ce n'est pas typique du comportement de la plupart des conducteurs d'aujourd'hui, des propriétaires de voitures moyens qui conduisent au travail et à la maison. Les scientifiques ont visé une telle utilisation de la voiture, qui implique un voyage constant et une charge de la batterie après une décharge presque complète. Cette situation convient aux camions, taxis et bus. Ils utilisent le terme 100% DOD, c'est-à-dire La «profondeur de décharge» est lorsque la batterie est utilisée jusqu'à l'arrêt, et alors seulement elle est chargée, contrairement, par exemple, à un smartphone qui est chargé chaque nuit, quel que soit l'état de la batterie.

Ce qui est apparu: des batteries comme le froid nouvelles formules chaudes

Ils ont constaté que la température est très importante. Une batterie qui a fonctionné pendant la majeure partie de sa vie à 20 ºC durera plus longtemps qu'une batterie qui a fonctionné à 40 ºC; cependant, les batteries fonctionnant à des températures élevées, puis tombant dans des conditions basses, perdent leur capacité à la même vitesse que les batteries qui fonctionnent toujours à basses températures. En d'autres termes, à haute température, la batterie perd plus rapidement sa capacité, et à basse température, elle ne la perd pas si vite, et n'importe quelle batterie peut se déplacer ici et là sur ce graphique sans aucun effet de mémoire. Des températures plus basses offrent un taux de dégradation plus faible au niveau moléculaire - moins de fissures, de dendrites, de poches de gaz, etc. Ils se sont beaucoup reposés sur l'importance de tout garder à basse température.

Dans les expériences précédentes, les chercheurs ont passé beaucoup de temps à étudier d'autres combinaisons d'éléments chimiques, mais se sont installés sur les électrodes en graphite NMC532 (comme la plupart de la communauté scientifique). En chimie, NMC532 est un autre nom pour LiNi _0,5 Mn _0,3 Co _0,2 O ₂ . En termes simples, cela signifie que la cathode est principalement composée de cristaux de lithium, avec l'ajout d'une petite quantité de nickel, de manganèse, de cobalt et d'oxygène, et que l'anode est en graphite (bien que les études sur le graphène semblent prometteuses).

Cependant, la caractéristique NMC532 / graphite n'est pas exhaustive pour la batterie. Il est également nécessaire d'indiquer l'électrolyte. Un électrolyte est un mélange de LiPF ₆ , de solvants et d'additifs, avec des noms trop drôles pour être prononcés à haute voix - comme le carbonate de diméthyle ou le sulfate d'éthylène. Dans ce travail, ils ont testé plusieurs combinaisons de solvants. Les additifs peuvent également affecter les performances des cellules en augmentant le taux de charge / décharge en raccourcissant la durée de vie, ou vice versa. Sur la base d'études antérieures, ils ont vraiment aimé les deux formules de supplément (2% FEC + 1% LFO et 2% VC + 1% DTD), bien qu'ils aient constaté qu'ils se comportaient différemment à différentes températures et ont suggéré de choisir des additifs en fonction de l'intention application. Dans la fabrication des batteries, les composants secs sont généralement fabriqués en premier, auxquels de l'électrolyte liquide est ensuite ajouté (Sparkfun a rédigé un article détaillé décrivant le processus de production).

En choisissant une formule spéciale et en maintenant une température de fonctionnement basse, les chercheurs ont pu minimiser les deux principales causes de dégradation de la batterie; perte de lithium et augmentation de l'impédance. En moyenne, au fil du temps, les ions lithium, se déplaçant ici et là, montent dans des endroits qui ne leur permettent pas de travailler. Ils peuvent s'avérer être isolés électriquement, regroupés en plaques, dendrites et films de surface, réagir avec d'autres composants de la cellule et ne pas participer à la charge et à la décharge. Les dendrites sont particulièrement nocives - ces cristaux sous la forme d'aiguilles pointues au lithium peuvent percer les séparateurs et court-circuiter la cellule, qui se réchauffe ensuite et conduit à une réaction auto-entretenue, et éventuellement à une explosion. L'impédance augmente en raison de la corrosion des électrodes et de la perte de surface utile, en raison de réactions chimiques, de fissures ou de la formation d'une couche superficielle résistive bloquant l'électrode.


Méthodes de dégradation de la batterie. Il y en a beaucoup, mais en substance, ils se résument au fait que "les atomes se déplacent là où ils n'ont pas besoin de"

L'une des raisons pour lesquelles leur étude a attiré une attention accrue était qu'elle était scrupuleuse et ouverte. Cela lui a pris trois ans, il lui a fallu exécuter chaque batterie à travers des milliers de cycles de charge et de décharge en utilisant des dispositifs de charge et de décharge extrêmement précis qui enregistrent la capacité de la batterie - et tout cela pour obtenir les données les plus complètes. Il est généralement assez difficile de mesurer le cycle de vie de la batterie en mode accéléré; Les batteries sont soumises à des vitesses de charge / décharge plus élevées que celles requises dans la vie normale et bénéficient d'un temps de récupération inférieur. Le fait que les chercheurs aient consacré autant de temps à leurs travaux suggère des résultats plus réalistes. Ils ont également indiqué explicitement:

Contrairement aux rapports décrivant l'utilisation de cellules commerciales, nous avons inclus une description complète de tous les détails de nos batteries, y compris la composition des électrodes, la composition de l'électrolyte, les additifs utilisés, etc. Ceci est fait pour que d'autres personnes puissent reproduire ces cellules et les utiliser pour leurs propres contrôles.

C'est agréable pour un changement de voir une étude avec un support commercial, publiée dans le domaine public, et même sous une licence Creative Commons.

Malgré l'ouverture du travail, nous ne verrons probablement pas de batteries Li-ion faites maison dans un avenir proche. Peut-être verrons-nous une transition progressive vers les formules proposées, et nous souhaiterions que davantage d'influence soit accordée au refroidissement, car cela augmente considérablement la durée de vie de la batterie. Nous sommes sûrs que si vous avez besoin d'une batterie, Tesla pourra bientôt vous la vendre depuis l'une de ses gigafactories.