On parle souvent de batteries au lithium ternaire ou de batteries fer-lithium, qui portent le nom de la matière active positive. Les six types courants de batteries au lithium comprennent : l'oxyde de lithium-cobalt, le manganate de lithium, le manganate de lithium-nickel-cobalt (NCM), l'aluminate de lithium-nickel-cobalt (NCA), le phosphate de fer au lithium et le titanate de lithium.

1. Oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2)

Son énergie spécifique élevée fait de l'oxyde de lithium-cobalt un choix populaire pour les téléphones portables, les ordinateurs portables et les appareils photo numériques. Les inconvénients de l'oxyde de lithium-cobalt sont une durée de vie relativement courte, une faible stabilité thermique et une capacité de charge limitée (puissance spécifique). Comme les autres batteries lithium-ion hybrides au cobalt, l'oxyde de lithium-cobalt utilise une anode en graphite et sa durée de vie est principalement limitée par l'interface électrolyte solide (SEI), qui se manifeste principalement par l'épaississement progressif du film SEI et le placage d'électrode négative. lors d'une charge rapide ou d'une charge à basse température. Problème de lithium. Les nouveaux systèmes de matériaux ajoutent du nickel, du manganèse et/ou de l'aluminium pour améliorer la durée de vie, la capacité de charge et réduire les coûts.

L'oxyde de lithium-cobalt excelle dans l'énergie spécifique élevée, mais n'offre que des performances médiocres en termes de caractéristiques de puissance, de sécurité et de durée de vie.

2. Manganate de lithium (LiMn2O4) Les

batteries au manganate de lithium spinel ont été publiées pour la première fois dans Materials Research en 1983. En 1996, Moli Energy a commercialisé des batteries lithium-ion avec du manganate de lithium comme matériau de cathode. L'architecture forme une structure de spinelle tridimensionnelle qui améliore le flux d'ions à travers les électrodes, réduisant ainsi la résistance interne et améliorant la capacité de transport de courant. Un autre avantage du spinelle est une stabilité thermique élevée et une sécurité améliorée, mais un cycle et une durée de vie limités.

La faible résistance interne de la batterie permet une charge rapide et une décharge à courant élevé. Les cellules de type 18650, les batteries au manganate de lithium peuvent être déchargées à un courant de 20-30A avec une accumulation de chaleur modérée, et la température de la batterie ne peut pas dépasser 80°C. Le manganate de lithium est utilisé dans les outils électriques, les dispositifs médicaux et les véhicules électriques hybrides et purs. La capacité du manganate de lithium est d'environ un tiers inférieure à celle du cobaltate de lithium. La flexibilité de conception permet aux ingénieurs de choisir de maximiser la durée de vie de la batterie ou d'augmenter le courant de charge ou la capacité maximum.

Les piles au manganate de lithium pur ne sont plus courantes aujourd'hui ; ils ne sont utilisés que dans des cas particuliers.

La plupart des manganates de lithium sont mélangés avec de l'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC) pour augmenter l'énergie spécifique et prolonger la durée de vie. Cette combinaison fait ressortir les meilleures performances de chaque système, et la plupart des véhicules électriques comme la Nissan Leaf, la Chevrolet Volt et la BMW i3 optent pour LMO (NMC). La partie LMO de la batterie peut atteindre environ 30 % et peut fournir un courant plus élevé lors des accélérations ; la partie NMC fournit une longue portée.

La recherche sur les batteries Li-ion tend à combiner le manganate de lithium avec du cobalt, du nickel, du manganèse et/ou de l'aluminium comme matériaux de cathode actifs. Dans certaines architectures, une petite quantité de silicium est ajoutée à l'électrode négative. Cela fournit une augmentation de capacité de 25 % ; cependant, le silicium se dilate et se contracte avec la charge et la décharge, provoquant des contraintes mécaniques, et l'augmentation de la capacité est souvent étroitement liée à une durée de vie courte.

3. Manganate de lithium-nickel-cobalt (NMC)

L'un des systèmes Li-ion les plus performants est la combinaison cathodique de nickel manganèse cobalt (NMC). Semblable au manganate de lithium, ce système peut être adapté pour être utilisé comme batterie d'énergie ou de puissance. Par exemple, un NMC dans une batterie 18650 dans des conditions de charge modérée a une capacité d'environ 2 800 mAh et peut fournir un courant de décharge de 4 A à 5 A ; le même type de NMC, lorsqu'il est optimisé pour une puissance spécifique, a une capacité de seulement 2 000 mAh, mais peut fournir 20 A de courant de décharge continu. L'électrode négative à base de silicium atteindra plus de 4000 mAh, mais la capacité de charge est réduite et la durée de vie est raccourcie. Le silicium ajouté au graphite a le défaut que l'électrode négative se dilate et se contracte avec la charge et la décharge, ce qui rend la batterie mécaniquement sollicitée et structurellement instable.

Le secret de NMC est la combinaison du nickel et du manganèse. Le sel de table est similaire à celui-ci, où les principaux composants, le sodium et le chlorure, sont toxiques en eux-mêmes, mais ils sont mélangés comme sel d'assaisonnement et conservateurs alimentaires. Le nickel est connu pour son énergie spécifique élevée mais sa faible stabilité ; la structure du spinelle de manganèse peut atteindre une faible résistance interne mais une faible énergie spécifique. Les avantages des deux métaux actifs sont complémentaires.

NMC est la batterie de choix pour les outils électriques, les vélos électriques et autres groupes motopropulseurs électriques. La combinaison d'électrodes positives est généralement composée d'un tiers de nickel, d'un tiers de manganèse et d'un tiers de cobalt, également connu sous le nom de 1-1-1. Cela fournit un mélange unique qui réduit également les coûts des matières premières en raison de la teneur réduite en cobalt. Une autre combinaison réussie est NCM, qui contient 5 parties de nickel, 3 parties de cobalt.