Quels sont les avantages des batteries de stockage d'énergie ?

Développement technique de l'industrie chinoise du stockage d'énergie – stockage électrochimique : Actuellement, les matériaux de cathode couramment utilisés dans les batteries au lithium comprennent principalement l'oxyde de lithium-cobalt (LCO), l'oxyde de lithium-manganèse (LMO), le phosphate de fer lithié (LFP) et les matériaux ternaires. Le cobaltate de lithium est le premier matériau de cathode commercialisé. Il présente une tension élevée, une densité apparente élevée, une structure stable et une bonne sécurité, mais son coût est élevé et sa capacité faible. Le manganate de lithium offre un faible coût et une tension élevée, mais ses performances cycliques et sa capacité sont médiocres. La capacité et le coût des matériaux ternaires varient en fonction de leur teneur en nickel, cobalt et manganèse (en plus du NCA). Leur densité énergétique globale est supérieure à celle du phosphate de fer lithié et du cobaltate de lithium. Le phosphate de fer lithié est peu coûteux, offre de bonnes performances cycliques et une bonne sécurité, mais sa tension de plateau et sa densité de compactage sont faibles, ce qui se traduit par une faible densité énergétique globale. Actuellement, le secteur de la production d'électricité est dominé par les matériaux ternaires et le phosphate de fer lithié, tandis que le secteur de la consommation privilégie le lithium-cobalt. Les matériaux d'électrode négative se divisent en deux catégories : les matériaux carbonés et les matériaux non carbonés. Les matériaux carbonés comprennent le graphite artificiel, le graphite naturel, les microsphères de carbone mésomorphe, le carbone mou, le carbone dur, etc. Les matériaux non carbonés incluent le titanate de lithium, les matériaux à base de silicium, les matériaux à base d'étain, etc. Le graphite naturel et le graphite artificiel sont actuellement les plus utilisés. Bien que le graphite naturel présente des avantages en termes de coût et de capacité spécifique, sa durée de vie est faible et sa régularité médiocre. En revanche, les propriétés du graphite artificiel sont relativement équilibrées, avec d'excellentes performances de cyclage et une bonne compatibilité avec l'électrolyte. Le graphite artificiel est principalement utilisé pour les batteries de véhicules de grande capacité et les batteries lithium haut de gamme grand public, tandis que le graphite naturel est principalement utilisé pour les batteries lithium de petite capacité et les batteries lithium grand public. Les matériaux à base de silicium, parmi les matériaux non carbonés, font encore l'objet de recherches et de développements continus. Les séparateurs de batteries lithium se divisent en séparateurs secs et séparateurs humides selon leur procédé de fabrication. Le revêtement membranaire humide des séparateurs humides est la tendance dominante. Chaque procédé présente ses propres avantages et inconvénients. Le procédé par voie humide permet d'obtenir des pores de petite taille et uniformes, ainsi qu'un film plus mince. Cependant, il nécessite un investissement important, est complexe et génère une pollution environnementale élevée. Le procédé par voie sèche, quant à lui, est relativement simple, à forte valeur ajoutée et respectueux de l'environnement. Toutefois, le contrôle de la taille des pores et de la porosité est difficile, et l'amincissement du produit s'avère complexe.

L'évolution technique de l'industrie chinoise du stockage d'énergie – stockage électrochimique : batterie au plomb. Une batterie au plomb (VRLA) est une batterie dont les électrodes sont principalement composées de plomb et de son oxyde, et dont l'électrolyte est une solution d'acide sulfurique. À l'état chargé, le principal composant de l'électrode positive est le dioxyde de plomb, et celui de l'électrode négative, le plomb. À l'état déchargé, les principaux composants des deux électrodes sont le sulfate de plomb. Le principe de fonctionnement d'une batterie au plomb repose sur l'utilisation du dioxyde de carbone et du plomb comme substances actives positives et négatives, respectivement, et d'une solution d'acide sulfurique comme électrolyte. Les avantages des batteries au plomb-acide sont une chaîne de production relativement mature, une utilisation sûre, une maintenance simple, un faible coût, une longue durée de vie et une qualité stable. Leurs inconvénients sont une vitesse de charge lente, une faible densité énergétique, une durée de vie courte et un potentiel polluant. Les batteries au plomb-acide sont utilisées comme alimentations de secours dans les télécommunications, les systèmes d'énergie solaire, les systèmes de commutation électronique, les équipements de communication, les petits systèmes d'alimentation de secours (UPS, ECR, systèmes de sauvegarde informatique, etc.), les équipements d'urgence, etc., et comme alimentations principales dans les équipements de communication, les locomotives électriques (véhicules de transport automatisé, véhicules électriques), les démarreurs d'outils mécaniques (perceuses sans fil, visseuses électriques, marteaux électriques), les équipements et instruments industriels, les appareils photo, etc.

L'évolution technique de l'industrie chinoise du stockage d'énergie – stockage électrochimique : batteries à flux liquide et batteries sodium-soufre. Les batteries à flux liquide sont un type de batterie capable de stocker et de restituer de l'électricité grâce à la réaction électrochimique de paires électron-trou solubles sur une électrode inerte. La structure d'un élément de base d'une batterie à flux liquide comprend : des électrodes positive et négative ; une chambre d'électrode entourée d'un diaphragme et d'une électrode ; un réservoir d'électrolyte, une pompe et un système de canalisations. Une batterie à flux liquide est un dispositif de stockage d'énergie électrochimique qui permet la conversion mutuelle d'énergie électrique et d'énergie chimique par la réaction d'oxydoréduction de substances actives liquides, assurant ainsi le stockage et la restitution d'énergie électrique. Il existe de nombreux sous-types et systèmes spécifiques de batteries à flux liquide. Actuellement, seuls quatre types de systèmes de batteries à flux liquide sont étudiés en profondeur dans le monde : les batteries à flux liquide tout vanadium, zinc-brome, fer-chrome et sodium-polysulfure/brome. La batterie sodium-soufre est composée d'une électrode positive, d'une électrode négative, d'un électrolyte, d'un diaphragme et d'une enveloppe, contrairement aux batteries secondaires classiques (plomb-acide, nickel-cadmium, etc.). Elle est constituée d'électrodes fondues et d'un électrolyte solide. L'électrode négative est composée de sodium métallique fondu, tandis que l'électrode positive est composée de soufre liquide et de polysulfure de sodium fondu. L'anode est constituée de soufre liquide, la cathode de sodium liquide, et un tube en céramique d'aluminium bêta sépare les deux. La température de fonctionnement de la batterie doit être maintenue au-dessus de 300 °C afin de maintenir les électrodes à l'état fondu. L'évolution technologique de l'industrie chinoise du stockage d'énergie repose sur les piles à combustible : les piles à combustible à hydrogène sont des dispositifs qui convertissent directement l'énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique. Le principe de base est le suivant : l’hydrogène pénètre dans l’anode de la pile à combustible, se décompose en protons et en électrons sous l’action d’un catalyseur, et les protons ainsi formés traversent la membrane échangeuse de protons pour atteindre la cathode et se combiner à l’oxygène afin de générer de l’eau. Les électrons atteignent la cathode via un circuit externe, créant ainsi un courant électrique. Il s’agit donc d’un dispositif de production d’énergie par réaction électrochimique. Le marché mondial du stockage d’énergie a doublé en termes de capacité installée. Les batteries lithium-ion restent la solution dominante, grâce à leur haute densité énergétique, leur rendement de conversion élevé et leur réactivité. Elles représentent actuellement la plus grande part de la capacité installée, après le stockage par pompage. Ces données proviennent du livre blanc sur le développement de l’industrie chinoise des batteries lithium-ion (2022), publié conjointement par EVTank et l’Ivy Institute of Economics. D'après les données du livre blanc, les livraisons mondiales de batteries lithium-ion atteindront 562,4 GWh en 2021, soit une hausse significative de 91 % par rapport à l'année précédente. Leur part dans les nouvelles installations de stockage d'énergie dépassera également 90 %. Bien que d'autres formes de stockage d'énergie, telles que les batteries à flux de vanadium, les batteries sodium-ion et l'air comprimé, suscitent un intérêt croissant ces dernières années, la batterie lithium-ion conserve des avantages considérables en termes de performance, de coût et d'industrialisation. À court et moyen terme, elle restera la principale forme de stockage d'énergie au niveau mondial, et sa part dans les nouvelles installations de stockage d'énergie se maintiendra à un niveau élevé.

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