Lithiový akumulátor

Lithiový akumulátor
Lithiová baterie od společnosti Varta , Museum Autovision , Altlußheim , Německo
Vlastnosti
Energie / hmotnost	100 až 250 (teoreticky)  Wh / kg
Energie / objem	200 až 620  Wh / ℓ
Účinnost vybíjení	90  %
Cena za energii / veřejnost	4  Wh / €
Samovybíjení	1% až 10% za měsíc
Život	7 let
Počet nabíjecích cyklů	1200 cyklů
Jmenovité napětí na článek	3,6 nebo 3,7  V

Lithiový akumulátor je elektrochemický akumulátor , jehož reakce je založen na lithium prvku .

Na počátku XXI th  století, tento typ baterie má nejvyšší specifickou energii (hmotnostní poměr energie /) a největší hustotu energie (poměr energie / objem).

Vzhledem k riziku výbuchu a spalování lithia v tomto typu akumulátoru podléhají dopravním omezením, zejména leteckou dopravou . Požár lithia hasí dlouho.

Vozítko Příležitost vloží akumulační lithium-Ion jeho solární panely . Fungovalo mnoho let navzdory intenzivnímu chladu na -100  ° C na planetě Mars .

Tři druhy akumulátorů

Existují tři hlavní typy lithiových baterií  :

• lithiový kovový akumulátor , kde je záporná elektroda složena z kovového lithia (materiál, který představuje bezpečnostní problémy);
• lithium-iontové akumulátory , kde lithium zůstává v iontovém stavu díky použití inzerční sloučeniny jak na záporné elektrodě (obvykle v grafitu ), tak na kladné elektrodě (oxid kobaltitý, mangan, fosforečnan železitý);
• lithium- ion - polymerové akumulátory jsou variantou a alternativou lithium-iontových akumulátorů. Poskytují o něco méně energie, ale jsou mnohem bezpečnější.

Na rozdíl od jiných akumulátorů nejsou lithium-iontové akumulátory spojeny s elektrochemickým párem . Jakýkoli materiál schopný pojmout lithiové ionty v něm může tvořit základ lithium-iontového akumulátoru . To vysvětluje hojnost stávajících variant tváří v tvář stálosti pozorované u ostatních párů. Je proto obtížné vyvodit obecná pravidla o tento typ akumulátoru, protože vysoké množství (mobilní elektronika) a vysoká energetická ( automobilový průmysl , letectví ,  atd. ) Trhy nemají stejné potřeby, pokud jde o trvání. Života, nákladů nebo výkonu .

Lithium-iontová baterie

Lithium-iontový akumulátor pracuje na principu reverzibilní výměny lithiového iontu mezi kladnou elektrodou, nejčastěji lithiovaným oxidem přechodného kovu (oxid kobaltnatý nebo mangan) a zápornou grafitovou elektrodou (koule MCMB). Použití aprotického elektrolytu (soli LiPF6 rozpuštěné ve směsi uhličitanu) je povinné, aby se zabránilo degradaci velmi reaktivních elektrod.

Jmenovité napětí Li-Ion prvku je 3,6  V nebo 3,7  V . Hustota energie lithium-iontových akumulátorů může dosáhnout úrovně 200  Wh / kg .

Lithium-iontová polymerová baterie (Li-Po)

Elektrolyt je gelový polymer. Li-ion polymerní akumulátor používá princip fungování podobný Li-ion akumulátorům a má podobné vlastnosti.

Napětí článku Li-Po je 3,7  V  ; několik prvků je obvykle sestaveno v balíčcích:

• v sestava je připojena řada, napětí, čímž se získá (3,7  V , 7,4  V , 11,1  V ,  atd );
• v paralelní sestavě je kapacita sady součtem kapacity každého prvku.

Výhody

• Akumulátor, který může mít malé a rozmanité formy ( modely letadel , smartphony , tablety ).
• Lze umístit na flexibilní podpěru .
• Nízká hmotnost (Li-Po eliminuje obal těžkých kovů).
• Více životních cyklů (200 až 300 cyklů obecně).
• Bezpečnější než Li-ion (odolnější vůči přebíjení a úniku elektrolytu). Obálka je však křehká, pokud není doplněna mechanickou ochranou.

Slabé stránky

• Dražší než Li-ion.
• Nižší hustota energie než Li-ion.

Použití

Lithiové baterie jsou zdrojem energie pro většinu moderních smartphonů , tabletů a notebooků .

Lithium-polymerové akumulátory se běžně používají k dodávání energie pro modely v měřítku (automobily, letadla, drony  atd. ), ULM a paramotory , elektricky poháněná kola , motocykly, skútry, motokáry, stejně jako hlavní nebo nouzová motorizace lodí.

V oblasti letectví používají některé modely (například výrobky společností Yuneec (Čína) a Electravia (Francie)) od2007průmyslové lithium-polymerové baterie jako hlavní zdroj energie. Je to také díky této technologii, že7. dubna 2010, prototyp švýcarského solárního letadla Solar Impulse , úspěšně dokončil svůj první let.

Lithium-vzduchový akumulátor

Lithium-vzduch akumulátor používá dvojici lithium-kyslík, který poskytuje velmi vysokou hustotu energie (obvykle mezi 1,7 a 2,4  kWh / kg v praxi teoretické postavu 5  kWh / kg ). Důvodem je jednak skutečnost, že jedna ze složek (kyslík) zůstává dostupná a nevyčerpatelná, aniž by byla uložena v akumulátoru (jako ve většině baterií a akumulátorů vzduchu), ale především nízká atomová hmotnost a vysoké redoxní potenciály lithia a kyslíku. Poskytuje napětí 3,4  V , má však určité nevýhody: korozi, potřebu filtrů (vyžaduje velmi čistý vzduch) a nízký měrný výkon (200  W / kg - 500  W / l ). Tyto baterie ještě nejsou na trhu a budou stále vyžadovat roky laboratorního výzkumu.

v Leden 2013„Společnosti BMW a Toyota spolupracují na vývoji nové generace lithium-vzduchových baterií, které budou použity v hybridních a elektrických vozidlech .

Akumulátor lithium-železo-fosfát (LFP)

Lithium železo fosfátová baterie (LFP), nazývaná také LiFe nebo LiFePO4, má mírně nižší napětí (~ 3,3  V ), ale je bezpečnější, méně toxická a za nižší cenu. Cena lithium-iontových článků a baterií skutečně pochází z velké části z materiálů použitých na katodě, které obsahují kobalt nebo nikl, velmi drahé kovy a ztěžují jejich získávání od různých dodavatelů.

V lithium- fosfátovém akumulátoru jsou standardní katody LiCo x Ni y Al z O 2 nahrazeny fosforečnanem lithno -železným LiFePO 4 , což je materiál, který je levný, protože neobsahuje vzácné kovy a je netoxický na rozdíl od kobaltu. Tato katoda je navíc velmi stabilní a neuvolňuje vodík odpovědný za výbuchy a požáry v lithium-iontových bateriích, což je činí bezpečnějšími.

Pro průmyslový vývoj elektrických vozidel (obsahujících přibližně 30  kWh akumulátorů) je nezbytně nutné snížit cenu. V roce 2007 je cena akumulátoru LFP vyšší než 1 000  EUR / kWh a pro dosažení tohoto trhu musí být snížena pod 500  EUR / kWh . Někteří čínští výrobci nabízejí15. června 2011Akumulátory 3,2  V 16  Ah (nebo 51  Wh ) za 21  $ nebo 15  € , což dává cenu přibližně 300  € / kWh . Pamatujte, že tento typ baterie vyžaduje použití bezpečnostního systému BMS (Battery Management System) ; BMS přidává k ceně přibližně 20%.

Stále však probíhá výzkum s cílem zajistit jejich životnost, pozvednout jejich kapacitu na úroveň jiných lithium-iontových technik a dlouhodobě zlepšit jejich odolnost vůči vysokým teplotám: zdá se, že rozpouštění železa (zvýhodněné teplotou) nepříznivě ovlivňuje cyklovatelnost tohoto typu akumulátoru.

V březnu 2009 vyvinul tým z Massachusetts Institute of Technology proces, který významně zvyšuje rychlost nabíjení lithium-iontových baterií, které se nacházejí ve většině našich špičkových zařízení. Tento objev otevírá nové možnosti v oblasti elektromobilů, jejichž hlavním problémem je kromě nákladů i doba dobíjení baterie.

Vlastnosti

Jeho hmotnostní hustota je 200  Wh / kg očekávaná v roce 2020 a objemová hustota je 400  Wh / L , takže se jedná o výkonnou baterii, ale na svou velikost těžkou ve srovnání s technologiemi NCM ( nikl - kobalt - mangan ).

Ohlášená životnost baterie (80% kapacita) je řádově sedm let a 3000 cyklů při + 1 / -1 ° C při 23  ° C , nebo tři roky a 1500 cyklů při +1, 2 / -8 ° C až 23  ° C . Zdá se, že baterie dobře odolávají vysokému výkonu a vysokým teplotám, ale to snižuje jejich životnost.

Výhody

Ve srovnání s jinými akumulátory:

• nižší cena;
• delší životnost;
• méně tepelně reaktivní;
• vysoká hustota a objem energie;
• absence kobaltu (etický problém způsobený podmínkami těžby v KDR ).

Nevýhody

• Nižší hmotnostní kapacita.
• Nižší napětí, které k výrobě trakční baterie elektrického vozidla vyžaduje více článků v sérii.

Lithium-kovová polymerní baterie (LMP)

Lithium-metal polymerové (LMP) baterie, zaměřené na automobilový trh, vyvíjejí dvě společnosti, Batscap (Ergué-Gabéric, Francie) a Bathium (ex-Avestor) (Boucherville, Quebec). Ten byl zakoupen dne6. března 2007od francouzské skupiny Bolloré (95% vlastník Batscap) v očekávání jeho použití na elektrickém vozidle skupiny, do Bluecar , který se používá zejména v Autolib spolujízdy sítě v Paříži.

Akumulátory LMP jsou ve formě navinutého tenkého filmu. Tento film o tloušťce přibližně sto mikrometrů se skládá z 5 vrstev:

1. Izolace  ;
2. Anoda  : lithiový pás
3. Elektrolyt  : složený z polyoxyethylenu (POE) a solí lithia.
4. Katoda  : složená z oxidu vanadu , uhlíku a polymeru.
5. Kolektor proudu: kovový pásek, sloužící k zajištění elektrického připojení.

Vlastnosti

• Hustota hmoty je 110  Wh / kg , což je méně než u lithium-iontových baterií , ale téměř 2,5krát vyšší než u olověných baterií (~ 40  Wh / kg ), přičemž tenká vrstva je lehká a maximalizuje užitečné oblast skladování energie.
• Neexistuje žádný paměťový efekt  ; proto není nutné akumulátor před nabitím zcela vyprázdnit.
• Inzerovaná životnost baterií využívajících tuto techniku ​​je řádově deset let.

Výhody

• Plně pevný (bez nebezpečí výbuchu)
• Ve složení akumulátoru není žádná hlavní znečišťující látka (kromě případů, kdy je použit oxid vanaditý ).
• Snadná recyklace (drcením a oddělením součástí)

Nevýhody

• Optimální vysoká provozní teplota, což znamená, že baterie „by musela být udržována na 80 ° C, je neustále“ , osvědčený provozní teplota baterie Batscap majících označena vnitřní teplota 60 až 80  ° C .
• Aby se baterie udržovala na 80  ° C , využívá své vlastní rezervy a v některých případech může být za tři dny vybitá; toto omezení se liší od samovybíjení baterie, které je řádově 9% za měsíc.
• „Studenou“ baterii je třeba před použitím zahřát, což prodlužuje uvádění do provozu takto vybaveného vozidla.

Akumulátor lithium-titaničitý

Lithium- titanátový akumulátor je vývoj lithiového akumulátoru vyvinutého společností Toshiba pod názvem Super Charge ion Battery (SCiB).

Dostupnost lithia

V budoucnu se někteří obávají, že levný lithium dojde, protože i když je na Zemi velmi hojný, místa, kde je jeho těžba snadná a levná, jsou vzácná . Více než 75% produkce pochází ze salarů Jižní Ameriky, Chile , Argentiny a od roku 2008 , z Bolívie . Zvýšení nákladů na lithium by mělo dopad na cenu baterií a ohrozilo by jeho použití na elektrická vozidla.

Recyklace kovů

V roce 2009 japonská skupina Nippon Mining & Metals oznámila, že s pomocí společnosti METI a po výzvě k jejímu zahájení uvede do provozu v roce 2011 průmyslovou jednotku pro recyklaci katod lithium-iontových baterií, k získání kobaltu , niklu , lithia a manganu .

Výzkum

V Německu 5. května 2009, zahájila Technická univerzita ve Freibergu „  Lithium-Initiative Freiberg  “ sdružující pět univerzit a průmyslových partnerů v centru kompetencí týkajících se bezpečnějších a efektivnějších lithium-iontových baterií pro automobilový průmysl. Část projektu je před průmyslovým odvětvím na zlepšení podmínek extrakce lithia, ve spolupráci s univerzitou v Potosí (poblíž Salar de Uyuni ), zejména na zdokonalení technik solárního odpařování a selektivní krystalizace solí. Současně se pokusy byly prováděny na Krušných horách ( Krušných ) ze Saska , kde lithium je také přítomný v koncentracích, které by mohlo umožnit jeho vytažení.

Pokud jde o nehody se spalováním lithiových elektrických akumulátorů, pozorování gama paprsků v bouřkách umožnilo provést srovnání s jinými situacemi silných místních elektrických proudů, včetně mikroskopických prasknutí elektrod v bateriích. Toto ještě nemá funkční aplikaci.

Nebezpečí ohně

Vzhledem k riziku výbuchu a spalování tohoto typu akumulátoru podléhají akumulátory omezením v letecké dopravě a zvláštním opatřením v přetlakové kabině .

Při autonehodách může hašení požárů lithiové baterie trvat dlouho. V roce 2021 požár Tesly uhasil 32 tisíc amerických galonů vody a čtyři hodiny.

Poznámky a odkazy

Poznámky

1. Ve výši 1,41 $ za 1 € .
2. V případě baterie společnosti Batscap .

Reference

1. Panasonic - Li-Ion Technology [PDF] , Panasonic.
2. [PDF] Panasonic NCR18650A 3,1 Ah , z panasonic.com
3. https://data.bloomberglp.com/bnef/sites/14/2017/07/BNEF-Lithium-ion-battery-costs-and-market.pdf
4. Jean-Baptiste Waldner , Nano-výpočetní a okolní inteligence: vynalézt počítače na XXI th  století , Londýn, Hermes Science,2007, 302  s. ( ISBN  2-7462-1516-0 ) , s.  190.
5. https://www.nirgal.net/rover_2003.html
6. CNRS , nový fluorosíran pro lithium-iontovou baterii , [1] , 18. prosince 2009
7. „  Solar Impulse let po letu  “ , v Evropě 1 ,26. května 2010(zpřístupněno 24. srpna 2018 )
8. (in) „Primární lithium se nadále vyvíjí“ na batterydigest.com
9. „Lithium-Air baterie: nový život pro elektromobil“ , na cartech.fr, 22. prosince 2009.
10. (in) „BMW Group and Toyota Motor Corporation Deepen Collaboration by Signing Binding Agreement“ (tisková zpráva), BMW, 29. ledna 2013.
11. (in) "BMW Group a TMC Prohloubení Spolupráce Podpisem závazné dohody" (tisková zpráva), Toyota, 1 st září 2014.
12. „  Why Valence  “ , na valence.com (přístup 9. září 2012 ) .
13. (in) Přepracovaný materiál baterie Mohlo by to vést k rychlému dobití mnoha zařízení , Massachusetts Institute of Technology .
14. (en-US) „  Powering the EV Revolution - Battery Packs Now At $ 156 / kWh, 13% Lower Than Than 2018, Finds BNEF  “ , na CleanTechnica ,4. prosince 2019(zpřístupněno 3. ledna 2020 )
15. (in) „  Nanofosfátový vysoce výkonný lithium-iontový článek ANR26650M1-B  “ , list [PDF] na systémech A123  (in) ,2012(zpřístupněno 29. ledna 2020 )
16. „  Sociální dopady řemeslné těžby kobaltu v Katanga v Demokratické republice Kongo  “ ,listopadu 2011, str.  27-55
17. Lithium-metal polymerová baterie - technologie na webu batscap.com
18. Lithium-metal polymerová baterie - Specifikace , na batscap.com
19. Baterie LMP Bolloré nejsou tak ekologické? , na webových stránkách automobile-electrique-populaire.fr, konzultováno 10. prosince 2013
20. „  Lithium-metal-polymer battery  “ (přístup k 24. červenci 2015 ) .
21. BE Japon číslo 514 (18/18/2009) - Francouzské velvyslanectví v Japonsku / ADIT.
22. (de) „Freiberg startet Lithium-Initiative“ (tisková zpráva), Technische Universität Bergakademie Freiberg , 5. května 2009
23. (in) A. Widom , Y. Srivastava , J. Swain a Georges de Montmollin , „  Reakční produkty z fraktury elektrod a Coulombova výbuchu v bateriích  “ , Engineering Fracture Mechanics , sv.  184,15. října 2017, str.  88–100 ( ISSN  0013-7944 , DOI  10.1016 / j.engfracmech.2017.08.030 , číst online , přístup k 21. červenci 2019 ).
24. „  Air France a KLM: Informace a omezení zavazadel s lithiovou baterií  “ [PDF] , na Air France ,7. července 2019(zpřístupněno 7. července 2019 ) .
25. Federální úřad pro civilní letectví , „  Baterie, hromady a elektronická zařízení  “ , na adrese www.bazl.admin.ch (přístup 7. července 2019 ) .
26. (in) "  Baterie nesena cestujících v letecké dopravě  " [PDF] Na federální správu letectví ,7. července 2019(zpřístupněno 7. července 2019 ) .
27. https://www.huffpost.com/entry/tesla-elon-musk-autopilot-self-driving-china_n_608377a1e4b02e74d21998b8

Podívejte se také

Související články

• Lithium-iontová baterie
• Lithiová baterie
• Zásobárna energie
• Superkondenzátor

externí odkazy

• (en) Velmi kompletní anglický web o bateriích
• Li-ion stránky francouzského portálu o bateriích