Li-ion Batteries , livre ebook

430

pages

English

Ebooks

2022

Écrit par
Didier Bloch , Thierry Priem , Sébastien Martinet , Christian Ngô

Publié par
EDP Sciences

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EDP Sciences

Date de parution

06 janvier 2022

Nombre de lectures

EAN13

9782759825677

Langue

English

Poids de l'ouvrage

47 Mo

Grâce à l’amélioration de leurs performances et la diminution de leur coût de fabrication, les accumulateurs au lithium initialement commercialisés en 1991 par SONY pour alimenter les équipements portables, jouent désormais un rôle-clef dans le développement massif attendu de la mobilité électrique.

Connectées au réseau électrique via les véhicules électrifiés dans lesquels elles seront embarquées, les batteries au lithium seront de surcroît utilisées comme moyen massif de stockage tampon des énergies renouvelables, ainsi que comme outils de soutien au réseau (effacement des heures de pointe, régulation de fréquence…), permettant, au-delà de leur fonction première (assurer la mobilité du véhicule), de démultiplier leur utilité.

Ces évolutions vont profondément transformer nos sociétés, et permettre non seulement de réduire très significativement les émissions de CO2 et la consommation d’énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), mais également, si elles sont conduites et coordonnées efficacement, de contribuer à la croissance économique.

Le développement de la mobilité électrique offre ainsi une opportunité unique de faire coïncider des exigences légitimes de protection de l’environnement avec des objectifs de développement industriel.

Cet ouvrage a pour objectif d’offrir au lecteur une vue d’ensemble des technologies d’accumulateurs au lithium, de fournir un état des lieux des initiatives en cours dans le monde, et de dresser quelques perspectives pour l’avenir.

Chercheurs au CEA et au CNRS, les auteurs de cet ouvrage disposent, tous, d’une expertise fondée sur plusieurs années d’expérience dans le développement des filières d’accumulateurs au lithium et des filières post lithium-Ion, sur l’ensemble des éléments de la chaîne de la valeur, depuis le design et la synthèse des matériaux d’électrodes, jusqu’à l’intégration dans le véhicule.

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Date de parution

06 janvier 2022

Nombre de lectures

EAN13

9782759825677

Langue

English

Poids de l'ouvrage

47 Mo

Current Natural Sciences

Coordinated by Didier BLOCH, Sébastien MARTINET, Thierry PRIEM and Christian NGÔ

Liion Batteries Development and Perspectives

E N E R G Y

ISBN : 978-2-7598-2555-4

9 782759 825554

Current Natural Sciences

Liion Batteries Development and Perspectives

Coordinated by Didier BLOCH, Sébastien MARTINET, Thierry PRIEM and Christian NGÔ

Thanks to their improved performance and the continuous decrease of their manufacturing costs, lithium batteries, initially marketed in 1991 by SONY to power portable equipment, now play a key role in the expected massive development of electric mobility.

Connected to the electricity grid via the electrified vehicles they will power,lithiumbatteries will also be used as a massive means of buffering renewable energies, as well as tools for supporting the network (peak shaving, frequency regulation, etc.), making it possible to multiply their usefulness beyond their primary function (ensuring vehicle mobility).

These developments will profoundly transform our societies, and will not only make it possible to significantly reduce CO emissions and the 2 consumption of fossil fuels (oil, gas, coal), but also, if they are conducted and coordinated effectively, to contribute to economic growth.

The development of electric mobility thus offers a unique opportunity to reconcile legitimate environmental protection requirements with industrial development objectives.

The aim of this book is to provide the reader with an overview of lithium battery technologies, to give an overview of current initiatives around the world, and to outline some perspectives for the future.

The authors of this book, who are researchers at the CEA and the CNRS, all have expertise based on several years of experience in the development of lithium batteries and postlithium ion batteries, covering all the elements of the value chain, from the design and synthesis of electrode materials to integration in the vehicle.

Price: 109 €

www.edpsciences.org

Current Natural Science

Coordinated by Didier BLOCH, Sébastien MARTINET, Thierry PRIEM and Christian NGÔ

Liion Batteries

Development and Perspectives

Printed in France

EDP Sciences–ISBN(print): 9782759825554–ISBN(ebook): 9782759825677 DOI: 10.1051/9782759825554

All rights relative to translation, adaptation and reproduction by any means whatsoever are reserved, worldwide. In accordance with the terms of paragraphs 2 and 3 of Article 41 of the French Act dated March 11, 1957,“copies or reproductions reserved strictly for private use and not intended for collective use”and, on the other hand, analyses and short quotations for example or illustrative purposes, are allowed. Otherwise,“any representation or reproduction–whether in full or in part–without the consent of the author or of his successors or assigns, is unlawful”(Article 40, paragraph 1). Any representation or reproduction, by any means whatsoever, will therefore be deemed an infringement of copyright punishable under Articles 425 and following of the French Penal Code.

Science Press, EDP Sciences, 2021

Preface

In order, in particular, to support energy transition, necessary and essential to safeguard our planet, energy storage needs will increase very sharply in the coming decades, whether for stationary applications or for mobility with a global market which should increase from 100 GWh in 2016 to 3 TWh (3000 GWh) in 2030. Li ion batteries have a number of advantages that help meet these needs. The −1 current challenges are to increase performances (to reach more than 350 Wh.kg and −1 1000 Wh.L at cell level) while aiming for increased safety and a cell target cost of around€80–120 per kWh. The socalled traditional Li ion is now reaching its limits in terms of mass and volume energy densities, which is pushing all scientific and industrial players towards the identification of new technological breakthroughs on new generations of batteries. Particular attention is also fundamental with regard to the sustainability of the solutions proposed by securing supplies, avoiding socalled “critical”materials in terms of environmental impact, using solventfree processes, but also more generally by considering recycling and full battery life cycle analysis. This book, by addressing the topic of batteries across the entire value chain from materials to the system, offers readers elements of understanding and reflection allowing everyone to have a better knowledge of the expected assets, but also of the hurdles and issues related to the development of present and new generations of Liion or post Liion Batteries. The development of these new batteries as a storage solution, beyond being useful for the development of clean energies to support the energy transition, will have a certain environmental and societal impact in the years to come.

Severine JOUANNEAU SI LARBI, Head of the Electricity and Hydrogen Department for Transport at CEA/LITEN

DOI: 10.1051/9782759825554.c901 Science Press, EDP Sciences, 2021

Contents

Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Brief History of Primary and Secondary Batteries. . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 General Information on Liion Batteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 2 Positive Electrode Materials for“Lithiumion”Accumulators. . . . . . . . . . . . 2.1 Positive Electrode Materials of“Spinel”Structure. . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Positive Electrode Materials with Lithiated Layered Oxide Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Positive Electrode Materials with Olivine Structure. . . . . . . . . . . . . . . References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 3 Negative Electrode Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Negative Electrode Materials: Several Solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 InsertionIntercalation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Alloying. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Carbon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Historical Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Interest. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Relationship between Structural Characteristics and Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Silicon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 (De)lithiation Mechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Degradation Mechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Material Improvement Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Lithium Metal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

III

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Contents

CHAPTER 4 Organic Electrode Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Different Types of Organic Electrode Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1πExtended System (Conducting Polymers). . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Stable Radical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Organosulfides & Thioethers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Carbonyl Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 Aromatic Amines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Implementation Strategies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Grafting on Inorganic or Organic Support. . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Polyanionic Salt Formation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 5 Electrolytes and Separators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Liquid Electrolytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Lithium Salts and Organic Solvents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Lithium Salts and Ionic Liquids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Separators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Properties of Separators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 The Separator Market. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Cost and Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 6 Naion Batteries: Should/Can Lithium be Replaced?. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 General Aspects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Should Lithium be Replaced?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Can Lithium be Replaced? Towards a 100% Abundant ElementBased Battery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 The Naion Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Brief History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Operating Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 State of the Art. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Negative Electrode Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 NonCarbon Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Positive Electrode Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Electrolytes and Interfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Full System Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Low Cost Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2 High Power Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Contents

CHAPTER 7 MetalSulfur Batteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 The MetalSulfur Cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Advantages and Comparison with Other Technologies. . . . . . . 7.1.2 Working Mechanism of the MetalSulfur Cell. . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 The (Li,Na)ion Sulfur Cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Technology State of the Art and Performances. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Main Actors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Understanding the Complex Mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Development Strategies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 AllSolidState MetalSulfur Batteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 Industrial Actors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Perspectives and Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 8 All SolidState Batteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Introduction and Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Main Families of Solid Ionic Conductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Polymeric Solid Electrolytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Inorganic Solid Electrolytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Hybrid Solid Electrolytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Electrochemical Stability of Solid Electrolytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 AllSolidState Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Academic & Industrial Players. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 9 Supercapacitors: From Material to Cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Operating Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Carbon/Carbon Based Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Electrode Design and Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Electrolyte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3 Separators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Hybrid Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1 Activated Carbon/MnO System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9.3.2 Lead Oxide/Activated Carbon System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.3 NiOOH/Activated Carbon System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.4 Graphite/Activated Carbon System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 10 Supercapacitors: Cells and Modules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Cell Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Contents

10.1.1 Small Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 HighCapacity Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Design of Modules and Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Modules Based on Hard Casing Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 High Capacity Modules Based on Soft Packaging Cells (Pouch Cells). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3 High Capacity Modules Working in Aqueous Medium. . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 11 Characterization of the Electrical Performance of Liion Cells. . . . . . . . . . . . 11.1 Characterization of the Electrical Performance of Individual Cells. . . 11.1.1 Acceptance Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Beginning of Life Performance Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.3 Ageing Performance Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Resistance Measurements of Individual Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 How to Define an Internal Resistance?. . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3 Different Methods of Measuring Internal Resistance. . . . . . . 11.2.4 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPTER 12 Microstructural and Physical and Chemical Characterizations of Battery Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Introduction: Characterization Methodology to Understand the Electrochemical Response of a Battery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Analysis of Mechanisms Associated with Exchangeable Lithium Loss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.1 SEI Formation and Li Metal Precipitation on Negative Electrode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.2 Loss of Lithium Content of Positive Electrode. . . . . . . . . . . 12.3 Analysis of Phase Transformations that Limit Lithium Mobility. . . . 12.3.1 Microstructural Modification of a Positive Electrode. . . . . . . 12.4 Mechanical Blocking, Obstruction, Disconnection and Loss of Electrical Contact. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Loss of Graphite Electrode Capacity in Cycling at Low Temperatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Exogenous Deposits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Electrolyte Degradation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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