Il existe différents types de batteries lithium-ion, et les différents types de batteries se différencient par l'utilisation de différents matériaux cathodiques.

Dans cet article, je décrirai les avantages, les inconvénients et les applications des matériaux cathodiques au manganate de lithium, ainsi que les principales méthodes de préparation.

Qu’est-ce que le manganate de lithium ?

Le manganate de lithium, de formule chimique LiMn2O4 , a une structure cristalline spinelle cubique et contient trois canaux de transport spatial d'ions lithium. Par conséquent, comparé à d’autres matériaux cathodiques, le matériau cathodique au manganate de lithium a un taux de diffusion d’ions plus élevé et convient aux batteries lithium-ion qui nécessitent une charge à taux élevé.

Le manganate de lithium est l’un des matériaux cathodiques lithium-ion les plus prometteurs. Le manganate de lithium de type spinelle appartient au système cristallin cubique, groupe spatial Fd3m, avec une capacité spécifique théorique de 148 mAh/g.

Grâce à la structure tunnel tridimensionnelle, les ions lithium peuvent être retirés de manière réversible du réseau spinelle sans induire d'effondrement structurel, ce qui se traduit par d'excellentes performances et stabilité en multiplicité.

À quoi sert le manganate de lithium ?

Il est principalement utilisé comme matériau de cathode pour les batteries lithium-ion utilisées dans la fabrication d'appareils électroniques portables tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables. L'oxyde de lithium et de manganèse est principalement utilisé pour les nouvelles batteries énergétiques, et d'autres utilisations incluent les outils électriques, les jouets électriques et d'autres outils de stockage d'énergie qui nécessitent de la mobilité. Pièces de batterie au lithium-oxyde de manganèse pour outils pneumatiques, équipements médicaux, véhicules hybrides et à énergies nouvelles.

Avantages et inconvénients du manganate de lithium

Le manganate de lithium aurait une structure spinelle, qui fait référence à sa forme cristalline lorsqu’il est appliqué aux batteries au lithium. Une structure en couches existe également lorsque le manganate de lithium n’est pas utilisé dans les batteries au lithium.

La structure spinelle est relativement plus stable que la structure en couches (bien que sur la base de la chimie, il semble également possible de penser à la stabilité des différentes formes dans la géométrie), de sorte que la structure spinelle est toujours utilisée dans des applications pratiques.

En plus du manganate de lithium, le cobaltate de lithium et la cathode ternaire de batterie au lithium ont également une structure spinelle, mais la structure spinelle du manganate de lithium est très distinctive par rapport à ses deux homologues.

Avantages :

l Des réserves abondantes de manganèse, qui peuvent réduire considérablement le coût des batteries et faciliter la production et l'application industrielles à grande échelle.

l Les batteries avec électrodes positives LiMn2O4 sont sûres et résistantes à la surcharge et à la décharge même sans circuits de protection ; ils ont de bonnes performances de multiplication et résistent aux basses températures.

l Le manganèse est non toxique et non polluant, et la solution de son problème de recyclage a accumulé une riche expérience dans les batteries primaires, de sorte que l'utilisation de matériaux cathodiques LiMn2O4 est propice à la protection de l'environnement.

Désavantages:

Le matériau lui-même est instable, doit être mélangé avec d'autres matériaux, a de mauvaises performances à haute température, de mauvaises performances de cyclage et une décomposition rapide.

Ces inconvénients du manganate de lithium sont dus aux propriétés du manganèse. Cependant, en raison de la large disponibilité du manganèse, celui-ci présente des avantages significatifs en termes de coûts.

Les principales méthodes de préparation du manganate de lithium

À l'heure actuelle, il existe six méthodes de préparation du manganate de lithium, qui sont classées comme méthode en phase solide à haute température, méthode d'imprégnation par fusion, méthode de synthèse par micro-ondes, méthode de synthèse hydrothermale, méthode de co-précipitation et méthode sol-gel.

Parmi eux, il existe deux principaux types de manganate de lithium sur le marché : le type AB, le type A fait référence au matériau utilisé pour les batteries électriques, qui se caractérise par les principales considérations de sécurité et de recyclage, et le type B fait référence aux alternatives pour les batteries mobiles. batteries de téléphone, qui se caractérisent principalement par leur grande capacité 

① Le processus de base de la méthode en phase solide à haute température est le suivant : mélange → torréfaction → broyage → tamisage → produit. La méthode en phase solide présente les avantages d’un processus d’exploitation simple, d’une production de masse et d’un faible coût.

② La méthode d'imprégnation par fusion fait référence à la meilleure méthode de préparation du manganate de lithium de type spinelle par la méthode en phase solide.

Des matériaux d'électrode négative présentant d'excellentes performances électrochimiques peuvent être obtenus, mais ils ne sont pas propices à l'industrialisation en raison de la complexité de fonctionnement et des conditions difficiles.

③La méthode de synthèse par micro-ondes est très différente de la méthode conventionnelle en phase solide à haute température dans la synthèse des matériaux. Des matériaux dotés d'excellentes propriétés électrochimiques sont préparés à l'aide de cette méthode et le temps de réaction de synthèse peut être considérablement réduit.

④ Synthèse hydrothermale LiMn2O4, le matériau d'anode pour batteries lithium-ion synthétisé par synthèse hydrothermale, a une structure cristalline stable et un état cristallin uniforme, de sorte que le matériau synthétisé possède d'excellentes propriétés physiques et électrochimiques.

⑤ Les matériaux de batterie lithium-ion préparés par la méthode de co-précipitation ont non seulement une capacité électrochimique plus élevée et une durée de vie plus longue, mais présentent également les avantages d'un processus simple, d'un fonctionnement pratique et d'une vitesse de réaction rapide.

⑥ La méthode sol-gel est en fait une branche de la méthode de co-précipitation. Le LiMn2O4 produit possède d'excellentes propriétés physiques et électrochimiques, mais il n'est pas favorable à la production industrielle en raison de problèmes tels que son coût élevé.

Comparaison du manganate de lithium et d'autres matériaux de batterie au lithium

Comparé aux matériaux cathodiques traditionnels tels que le cobaltate de lithium, le manganate de lithium présente les avantages de ressources abondantes, d'un faible coût, d'une absence de pollution, d'une bonne sécurité et de bonnes performances de multiplicateur.

C'est un matériau cathodique idéal pour les batteries de puissance, mais ses mauvaises performances de cyclage et sa stabilité électrochimique limitent grandement son industrialisation. Deuxièmement, par rapport à la batterie ternaire Li-ion/ batterie LiFePO4 , la batterie Li-Mn2O4 a l'avantage d'être moins chère. Le problème temporaire est le nombre de cycles. Il a plusieurs scénarios d'application très chauds.

Les deux-roues électriques sont utilisés dans un environnement plus hostile que les voitures, et la probabilité de passage à gué et de collision est plus élevée que celle des voitures. D'un point de vue économique, le coût de la batterie ne devrait pas être trop élevé.

Comparé au matériau LiFePO4, le LiMn2O4 est moins cher et plus sûr. Comparé au matériau LiFePO4, le LiMn2O4 ne sera pas si facile à abandonner à basse température en hiver et les performances de charge resteront les mêmes. Mais il existe désormais également des batteries au lithium fer phosphate pour basse température, mais le coût est également très élevé. Finalement, le manganate de lithium devient l’un des bons choix.

Selon les statistiques, la part des batteries lithium-manganèse-acide dans les batteries au lithium pour deux-roues est de 42 % au cours de l’exercice 2019, de 45 % au cours de l’exercice 20 et de 56 % au cours de l’exercice 21.

Perspectives pour le manganate de lithium

Selon les statistiques, 85 à 90 % de la structure actuelle de consommation de manganèse de la Chine est utilisée dans l'industrie sidérurgique, et environ 5 à 10 % est utilisée dans l'industrie des batteries et l'industrie chimique. Ces dernières années, le développement rapide de nouveaux matériaux, de véhicules électriques et d'autres industries manufacturières vertes créera un vaste marché pour le dioxyde de manganèse électrolytique, le manganate de lithium, le sulfate de manganèse de haute pureté et d'autres matériaux d'anode.

La Chine a expédié 510 000 tonnes de matériaux cathodiques, dont 66 000 tonnes de manganate de lithium, soit 13 %. Bien que la demande de batteries numériques bas de gamme et les exportations vers d’autres pays aient diminué au premier semestre en raison de l’épidémie, la demande de batteries électriques pour deux-roues, qui a commencé à exploser pendant l’épidémie, a soutenu le marché du manganate de lithium.

La production chinoise de manganate de lithium a atteint 92 900 tonnes, en hausse de 21,6 % sur un an, et devrait atteindre 109 000 tonnes. À l'heure actuelle, il existe plus de 40 entreprises de matériaux d'anodes en manganate de lithium en Chine, et 90 % de leur capacité de production est généralement inférieure à 10 000 tonnes. Il y a un manque d’entreprises de premier plan et l’intégration industrielle est à nos portes.