Développer une chimie de batterie est toujours un exercice qui demande de faire des concessions. Il n'y a pas de chimie de batterie qui soit la meilleure dans tous les domaines, pour avoir une batterie bien équilibrée, nous devons faire des compromis concernant la densité d'énergie, la densité de puissance, la sécurité, la durée de vie et le coût.
Dans ce long article, nous verrons où va la technologie des batteries en mettant l'accent sur le développement des cathodes NCM. Je laisserai les anodes et les électrolytes à une autre fois.
Commençons par comparer certaines chimies de batterie populaires pour les véhicules électriques. Les taux varient de 1 (le pire) à 5 (le meilleur).
Anodes
Oxyde de Titanate de Lithium ( LTO )
Cathodes
Ferrophosphate de lithium ( LFP )
Lithium Nickel Cobalt Manganèse (NCM 333 ou 111)
Lithium Nickel Cobalt Manganèse (NCM 523)
Lithium Nickel Cobalt Manganèse (NCM 622)
Lithium Nickel Cobalt Manganèse (NCM 811)
Lithium Nickel Cobalt Aluminium ( NCA )
Les chimies LTO et LFP ne sont utilisées que lorsqu'une charge très rapide (5-10 C) est requise, par exemple dans les bus électriques. Alors que le NCA est utilisé par Tesla, presque tous les constructeurs automobiles utilisent des batteries avec des cathodes NCM.
Il est bien connu que les principaux obstacles à l'adoption des voitures électriques sont le prix et l'autonomie. Par conséquent, les améliorations récentes des cathodes NCM se sont concentrées sur l'augmentation de la densité d'énergie et la réduction des coûts, au détriment de la réduction de la densité de puissance, de la durée de vie et de la sécurité. Cependant, des capacités de batterie plus élevées réduisent le problème de la densité de puissance inférieure et de la faible durée de vie. Quant aux cellules de batterie moins sûres, elles nécessitent plus de protection BMS (Battery Management System) et TMS (Thermal Management System) mais ne sont pas vraiment dangereuses.
La formule générale utilisée pour réduire le coût et en même temps augmenter la densité d'énergie des cellules de batterie NCM a été de réduire la teneur en cobalt de la cathode, en la remplaçant par plus de nickel. L'ajout de silicium aux anodes en graphite contribue également à augmenter la densité d'énergie, au détriment de la réduction de la durée de vie. Rappelez-vous, c'est toujours un compromis…
Cette année marque l'introduction des batteries NCM 811 dans les voitures électriques de série. La société chinoise CATL a remporté la course et a été le premier fabricant à intégrer des cellules de batterie NCM 811 dans une voiture électrique de série déjà livrée aux clients - la NIO ES6. Néanmoins, d'autres suivent.
BYD est un autre fabricant chinois de cellules de batterie qui a annoncé les batteries NCM 811 pour cette année. Alors qu'Envision AESC vise à commencer à produire des cellules de batterie NCM 811 en 2020.
Quant aux fabricants coréens de cellules de batterie, ils ont reporté ce qu'ils avaient promis avant tout le monde. SK Innovation prévoit désormais d'introduire ses propres cellules de batterie NCM 811 pour les véhicules électriques à grande échelle au début de l'année prochaine, tandis que LG Chem pariera sur les cathodes NCM 712 pour les cellules de poche. Samsung SDI est loin derrière et ne prévoit de commencer à produire des cellules de batterie NCM 811 qu'en 2021.
Il est clair que les cellules de batterie NCM 811 sont le présent et le futur proche pour les véhicules électriques. Ils ont une grande densité d'énergie et un faible coût, permettant une autonomie plus longue et des voitures électriques moins chères. Cependant, ils ont déjà un successeur en devenir…
SK Innovation a annoncé que ses cellules de batterie NCM 811 - qui arriveront au début de l'année prochaine à grande échelle - donneront une autonomie de 600 km (372 miles) aux voitures électriques, mais c'est en 2022 que l'autonomie ne sera plus un problème grâce à l'introduction de Cellules de batterie NCM 90 (NCM 9.5.5).
Les cathodes NCM 90 (NCM 9.5.5) réduisent davantage les besoins en cobalt, qui est rare et coûteux.
Regardons maintenant derrière le battage médiatique et voyons où en est actuellement le développement de cette technologie de batterie.
Performances de cyclage des cathodes NCM utilisant une anode métallique Li
Les graphiques ci-dessus nous montrent la durée de vie de différentes cathodes NCM à des tensions de charge très élevées. Ne soyez pas effrayé par la forte dégradation apparente des cellules. On s'attend à des tensions de charge aussi élevées, le type de tensions que l'on voit habituellement sur les batteries des smartphones.
Heureusement, les voitures électriques ont leurs cellules de batterie mieux protégées et limitées à des tensions de charge plus basses. Par exemple, les cellules de la batterie de la Nissan LEAF sont limitées à une tension de charge maximale de 4,2 V. D'autres voitures électriques ont des limites encore plus basses pour réduire la dégradation de la batterie.
Revenons maintenant aux graphiques.
Les auteurs mentionnent que "le NCM-622 (4,5 V) et le NCM-811 (4,3 V) présentaient une capacité de décharge initiale similaire de 200 mAh g-1 à 0,5 C avec une rétention de capacité de 93 % après 100 cycles". De plus, la cathode NCM 622 avait une stabilité structurelle plus élevée.
Cependant, même si la cathode NCM 622 est plus sûre et, lorsqu'elle est limitée à 4,5 V, a une durée de vie et une capacité similaires à la cathode NCM 811 lorsqu'elle est limitée à 4,3 V, il est évident d'adopter cette dernière pour les voitures électriques en raison à la réduction des coûts en nécessitant moins de cobalt. Rappelez-vous, il y a toujours des compromis dans la technologie des batteries et maintenant l'accent est mis sur la réduction des coûts pour permettre la massification des voitures électriques.
Maintenant, en ce qui concerne la cathode NCM 90, tout va bien, mais elle n'est peut-être pas encore prête à remplacer la cathode NCM 811.
La cathode NCM 90 lorsqu'elle est cyclée entre 2,7 et 4,3 V à 0,5 C conserve 90 % de sa capacité initiale de batterie après 100 cycles. Ainsi, une voiture électrique neuve avec une autonomie de 600 km aurait une autonomie de 540 km après 57.000 km [(600 + 540) / 2 x 100)] dans ces conditions. La bonne nouvelle est qu'aucune batterie de voiture électrique n'est cyclée dans ces conditions extrêmes. Ils sont bien mieux protégés.
J'aimerais voir comment la cathode NCM 90 se comporte lorsqu'elle est cyclée entre 2,8 et 4,1 V, il est raisonnable de s'attendre à ce que la durée de vie du cycle soit bien meilleure que seulement 90% de rétention de capacité après 100 cycles. Il doit être suffisamment bon pour permettre une garantie de batterie standard, qui pour la plupart des véhicules électriques garantit une capacité minimale de 70 % pendant huit ans ou 160 000 km (100 000 miles).
En attendant d'avoir des batteries totalement sans cobalt, les cathodes NCM 90 sont une avancée nécessaire pour permettre la massification des voitures électriques.
Quoi qu'il en soit, SK Innovation a été le premier fabricant de cellules de batterie à annoncer les cellules de batterie NCM 90, mais je doute qu'il soit le premier à les produire. Je pense que ce sera probablement CATL ou BYD.
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Merci Emanuele pour l'avertissement.
