Batteries bipolaires: Peu de progrès pour le plomb, un avenir prometteur pour le lithium

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Comme son nom l'indique, la technologie des piles "bipolaires" utilise une électrode qui est à la fois une cathode et une anode. Il s'agit d'un équilibre délicat, comme nous allons le voir. Cette technologie a récemment atteint le stade de la production avec des batteries au plomb.

Les experts ont maintenant la possibilité d'évaluer leurs performances et de parvenir à un consensus:

  • Les batteries lithium-ion dotées de la technologie actuelle à électrode unique ont une meilleure autonomie que les batteries de plomb-acide dotées de la technologie à électrode bipolaire.
  • À l'heure actuelle, il n'existe que quelques exemples de production commerciale d'accumulateurs au plomb bipolaires. L'adoption future de la technologie et l'extensibilité de la production sont encore incertaines.
  • Cependant, la technologie des électrodes bipolaires a une chance d'améliorer sérieusement les performances des batteries si elle est créée avec succès avec la chimie des batteries à haute capacité, comme le lithium-ion.

Pour que la technologie bipolaire prenne son essor, les composants de la batterie doivent répondre à certaines exigences pour une mise en œuvre commerciale réussie, notamment:

  • Une excellente propriété mécanique du substrat
  • Un électrolyte très stable dans chaque cellule sans gaz de décomposition
  • Une excellente stabilité électrochimique du substrat à haute et basse tension
  • Un transfert d'électrons identique pendant la procédure de charge/décharge pour chaque électrode
  • Un prix acceptable et une manipulation facile des matériaux de substrat.

Il est prévu que la mise en place d'une production de masse et le processus de commercialisation prendront au moins une décennie.

Que sont les piles bipolaires?

Le terme "batterie bipolaire" fait référence à la présence d'électrodes bipolaires à l'intérieur d'un module de batterie. En théorie, cette technologie peut être appliquée à des batteries de différentes compositions chimiques. En réalité, parmi toutes les différentes batteries bipolaires, seuls les modules de batterie au plomb ont atteint le stade de la production commerciale. Néanmoins, il s'agit d'une voie d'évolution probable pour les batteries lithium-ion également.

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Le principe de fonctionnement d'une pile bipolaire est assez simple en théorie. L'électrode négative d'une cellule et l'électrode positive d'une autre cellule sont situées très près l'une de l'autre (dos à dos). La cathode et l'anode sont toutes deux appliquées sur le substrat. Le substrat avec les électrodes agit comme un joint pour les cellules placées de façon adjacente. Le courant électrique circule entre les cellules directement à travers les deux électrodes et le substrat mince et conducteur intermédiaire. Les cavaliers intermédiaires entre les cellules voisines sont inutiles dans ce cas. Les cellules sont placées dans un conteneur commun. Un ou plusieurs conteneurs sont réunis en modules de batteries. Voir ci-dessous le schéma d'un module d'électrodes bipolaires.

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Caractéristiques d'un module d'électrode bipolaire:

  • Une connexion en série des cellules (positif à négatif)
  • Aucuns cavaliers intermédiaires entre les cellules voisines
  • Un conteneur commun pour les cellules
  • Les cellules sont isolées les unes des autres par des substrats communs.

L'idée de base est ici d'éliminer les cavaliers intermédiaires et de réduire la quantité de substrats et de conteneurs. Par conséquent, par rapport à d'autres technologies de batteries, les batteries bipolaires peuvent offrir de grands avantages par:

  • Améliorer la puissance spécifique
  • Simplifier les composants de la cellule
  • Réduire les coûts de fabrication
  • Éliminer les composants lourds d'une batterie.

La technologie des électrodes "monopolaires" mérite d'être mentionnée ici, bien qu'elle n'ait pas encore été commercialisée. Comme la technologie bipolaire, elle permet également de réduire le poids des batteries. Cette technologie utilise une quantité réduite de substrat dans le module de la batterie. Imaginez plusieurs cellules d'électrodes individuelles reliées négativement au négatif et positivement au positif au lieu du positif au négatif, placez-les sur une seule rangée et placez les pôles identiques plus près les uns des autres (presque dos à dos). Les conteneurs des cellules individuelles peuvent être remplacés par un seul conteneur commun pour l'ensemble du module de batterie. Deux électrodes directement connectées peuvent être remplacées par une électrode commune à deux faces. Un schéma d'un module d'électrodes monopolaires est présenté ci-dessous.

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Module d'électrode monopolaire:

  • Une connexion parallèle des cellules (positif à positif, négatif à négatif)
  • Des cavaliers intermédiaires entre cellules voisines
  • Un conteneur commun pour les cellules.

Il n'existe pas de normes et d'exigences spécifiques pour les batteries monopolaires et bipolaires. Le nombre de cellules dans un module, la capacité des cellules, les dimensions du module et d'autres paramètres sont régis par des normes générales qui traitent de la sécurité, des performances, des tests et de l'entretien des batteries au plomb.

Il n'est pas possible de faire une comparaison directe entre les cellules bipolaires et monopolaires et les autres types de cellules. Les cellules bipolaires et monopolaires sont entièrement intégrées dans les modules de batterie. Elles n'ont pas de limites claires et ne peuvent pas être réparées et remplacées. Les avantages globaux de ces technologies ne peuvent être perçus et évalués qu'au niveau du module et du paquet de batteries.

Dans une approche classique, à électrode unique, les cellules individuelles sont autonomes. Chaque cellule de batterie a son propre conteneur et possède deux électrodes. Les électrodes d'une cellule sont reliées aux électrodes d'une autre cellule par des cavaliers intermédiaires, du positif au négatif. C'est ainsi que les cellules sont formées en modules de batterie.

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Un module à électrodes simples:

  • Une connexion en série des cellules (positif à négatif)
  • Des cavaliers intermédiaires entre cellules voisines
  • Un conteneur pour chaque cellule.

Avantages et inconvénients des piles bipolaires

En quoi les piles bipolaires diffèrent-elles des piles à électrode unique d'aujourd'hui?

Avantages:

  • Densité énergétique plus élevée (en raison de l'absence de cavaliers intermédiaires, du poids plus faible et des dimensions réduites de la batterie).
  • Densité de puissance plus élevée (en raison d'un moindre degré de déviation du potentiel des électrodes par rapport à la valeur d'équilibre dans les processus de charge/décharge).

Inconvénients:

  • Plus le module de batterie est grand, plus les coûts de remplacement de la batterie sont élevés (la défaillance d'une seule cellule peut nécessiter le remplacement de tout un ensemble de batteries).
  • Gestion plus complexe de la batterie pour diagnostiquer la tension des cellules et maintenir l'état de santé de la batterie (l'ensemble du système de la batterie devient défaillant si l'une des cellules tombe en panne dans un cadre de batterie multi-cellules).

Pourquoi y a-t-il si peu de fabricants?

Comme nous l'avons déjà mentionné, parmi les différentes batteries bipolaires, seules les batteries au plomb ont atteint le stade de la production commerciale. Cela est principalement dû aux exigences très élevées en matière de matériaux pour leurs composants:

  1. Excellentes propriétés mécaniques du substrat

La cathode et l'anode sont toutes deux revêtues sur le même substrat, qui sert également à étanchéifier l'électrolyte dans chaque cellule. Une dureté insuffisante du substrat peut entraîner sa destruction rapide et la défaillance de l'ensemble du module de batterie.

  1. Électrolyte très stable dans chaque cellule sans gaz de décomposition

Les cellules ne doivent pas pouvoir gonfler au détriment de l'isolation de l'électrolyte. Même de minuscules déséquilibres mécaniques dans une cellule peuvent compromettre l'ensemble du module.

  1. Excellente stabilité électrochimique du substrat à haute et basse tension.

La cathode et l'anode sont constituées de matériaux différents et sont toutes deux appliquées sur le substrat. Comme différentes réactions chimiques se produisent en même temps, le système devient moins stable avec les changements de tension.

  1. Transfert d'électrons identique pendant la procédure de charge/décharge pour chaque électrode

Une capacité inégale des électrodes peut entraîner une surcharge et une surdécharge d'un module de cellules. Une seule électrode défectueuse dans un module de batterie tue rapidement les dizaines de cellules restantes. Un diagnostic précoce au niveau de la cellule est presque impossible.

  1. Prix acceptable et manipulation facile des matériaux de substrat

Le coût actuel d'un module bipolaire haute tension peut dépasser le coût d'un pack ordinaire de tension et de capacité similaires. De plus, pour une telle chaîne à module unique, le remplacement partiel des groupes de cellules est impossible.

Batterie bipolaire au plomb contre batterie au lithium-ion à électrode unique

Aucune comparaison directe de batteries bipolaires au plomb et de batteries lithium-ion à électrodes simples n'a encore été effectuée. Heureusement, une comparaison de modules de batteries peut suffire.

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La comparaison démontre que pour des batteries de même poids, les batteries bipolaires au plomb sont capables de fournir plus de puissance instantanée (W), tandis que les modules lithium-ion à électrode unique entrepose plus d'énergie électrique (Wh).

En ce qui concerne les équipements de manutention, plus ils sont lourds, plus ils nécessitent une puissance instantanée. Et plus d'énergie est nécessaire pour des heures de fonctionnement plus longues. En général, les batteries lithium-ion dotées de la technologie à électrode unique existante présentent une meilleure autonomie.

Applications:

  • L'utilisation des accumulateurs au plomb avec la technologie des électrodes bipolaires est assez limitée en raison de la faible disponibilité des composants répondant aux exigences critiques. Néanmoins, il existe plusieurs entreprises dont la fabrication est opérationnelle ou pilote: Effpower pour les véhicules électriques hybrides d'Optima et Volvo; GreenSeal d'ABC, Silicon Joule de Gridtential et AACarbon d'ArcActive.
  • Les batteries lithium-ion à technologie à électrode unique sont principalement utilisées dans les véhicules électriques, l’entreposage d'énergie, les outils électriques, l'électronique, les appareils médicaux, etc. Pour en savoir plus sur les formats des cellules au lithium, cliquez ici: Types de batteries au lithium: formats des cellules au lithium.

À propos de OneCharge

OneCharge est l'un des principaux producteurs américains de batteries au lithium pour les chariots élévateurs.

La gamme de produits OneCharge compte plus de 600 modèles et ne cesse de croître. Elle comprend des batteries pour presque toutes les marques et tous les modèles de chariots élévateurs de classe I, II et III, d'équipements de soutien au sol, de balayeuses et d'épurateurs, ainsi que de véhicules de transport de personnel ou de charges.


Source : OneCharge