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Jan 06, 2024

Une énergie plus élevée et un coût réduit grâce à l'innovation des cellules de batterie EV et des matériaux d'emballage, une perspective d'IDTechEx

Énergie plus élevée et coût réduit grâce à la cellule de batterie EV et au matériau de l'emballage

Une énergie plus élevée et un coût réduit grâce à l'innovation des cellules de batterie EV et des matériaux de pack, une perspective IDTechEx.

Les véhicules électriques (VE) génèrent des demandes matérielles très différentes de celles historiquement typiques des marchés des véhicules à moteur à combustion. Avec la perturbation continue de la chaîne d'approvisionnement et l'évolution rapide de la technologie des batteries, les matériaux qui seront demandés au cours des prochaines années varieront considérablement.

IDTechEx vient de publier un nouveau rapport, "Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033", qui plonge en profondeur dans la chimie des batteries, la densité d'énergie et l'évolution de la conception afin de déterminer la demande du marché de 2021 à 2033 pour 27 différents matériaux sur des marchés tels que les voitures électriques, les bus, les camions, les camionnettes, les deux-roues, les trois-roues et les microcars.

Malgré les tendances à l'augmentation de la densité énergétique et à la réduction de l'utilisation de matériaux par véhicule, grâce à la croissance rapide du marché des véhicules électriques, la demande de matériaux pour batteries de véhicules électriques sera multipliée par 12, la valeur marchande affichant un TCAC de 26 % entre 2033 et 2021.

Matériaux des cellules de batterie

La chimie des batteries continue d'évoluer. L'objectif ultime a toujours été d'atteindre une densité d'énergie plus élevée, mais d'autres facteurs tels que le coût des cellules et la diversité de la chaîne d'approvisionnement ont créé une demande pour des chimies alternatives en dehors du NMC (nickel manganèse cobalt) typique.

Les chimies NMC fournissent la densité d'énergie la plus élevée, et pour améliorer encore cela et éviter l'utilisation de cobalt, elles sont passées à des variantes de nickel plus élevées telles que NMC 811 par rapport à la précédente NMC 111/523. Le cobalt est un matériau plus coûteux et a un approvisionnement très limité géographiquement avec des pratiques minières douteuses ; la tendance à des chimies plus élevées en nickel atténue ces préoccupations, bien qu'elle augmente la demande de nickel.

Les batteries utilisant des chimies LFP (lithium fer phosphate) ont presque quitté le marché des véhicules électriques en 2018-2019 grâce à leur densité d'énergie inférieure à celle des NMC. Cependant, le besoin d'une plus grande variété d'approvisionnement en cellules et la capacité de réduire les coûts ont entraîné une énorme recrudescence de l'adoption des LFP, en particulier dans les segments de marché inférieurs à moyens.

L'impact sur la densité énergétique de l'utilisation de LFP a été quelque peu compensé par des améliorations de l'efficacité de l'emballage. La plus grande adoption du LFP atténue une partie de la demande de matériaux tels que le nickel et le cobalt.

En plus de la chimie de la cathode, il y a également eu une évolution de l'anode. Certains ont incorporé de petits pourcentages de silicium dans l'anode pour améliorer la densité d'énergie, ce qui a entraîné une diminution de l'intensité du graphite dans la cellule. À l'avenir, on s'attend à voir l'adoption de teneurs en silicium beaucoup plus importantes avec des anodes à dominante silicium gagner en intérêt.

Il existe plusieurs autres matériaux essentiels au fonctionnement d'une cellule de batterie, tels que les feuilles collectrices, les liants, etc. Même avec l'augmentation de la densité énergétique, IDTechEx prévoit une multiplication par 9,4 de la demande annuelle de matériaux utilisés dans les cellules de batterie.

Matériaux de la batterie

L'augmentation de la densité énergétique des cellules de la batterie est importante, mais la construction du pack dans son ensemble est également un excellent moyen d'améliorer la densité énergétique de la batterie. Le marché a progressivement réduit la quantité de matériaux utilisés pour emballer les cellules, augmentant le rapport entre le poids et le volume de l'emballage qui est représenté par les cellules.

Le changement radical à cet égard est l'adoption de conceptions cell-to-pack où la nature modulaire est supprimée au profit du conditionnement de toutes les cellules directement ensemble. Malgré la réduction des matériaux que cela entraîne, la croissance rapide du marché des véhicules électriques signifie que de nombreux matériaux utilisés dans un bloc-batterie connaîtront une demande accrue.

La gestion thermique est cruciale pour maintenir les cellules à une température de fonctionnement optimale et nécessite des composants tels que des plaques froides et des tuyaux de refroidissement. Des matériaux d'interface thermique sont nécessaires pour faciliter le transfert de chaleur entre les cellules et la structure de refroidissement.

Empêcher l'emballement thermique de se propager entre les cellules et à l'extérieur du bloc-batterie nécessite des matériaux de protection passive contre l'incendie. La manière dont ces matériaux et composants de gestion thermique sont intégrés est de plus en plus simplifiée, en particulier avec l'adoption de conceptions cell-to-pack, mais ils resteront des composants de fonctionnement critiques avec une demande accrue.

L'adoption de composites et de polymères par rapport à l'aluminium et à l'acier traditionnels est une voie clé pour gagner du poids. Une grande partie de la structure de la batterie est en aluminium, mais beaucoup ont adopté des couvercles de boîtier composites pour réduire le poids et former des formes plus complexes.

Il y a une poussée vers des boîtiers de batterie multi-matériaux pour combiner les avantages des matériaux disponibles. Une considération clé pour les boîtiers composites ou polymères est le blindage EMI et la protection contre les incendies ; cela peut être ajouté ultérieurement ou intégré dans le matériau lui-même.

Le dernier rapport d'IDTechEx, "Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033", prévoit les matériaux utilisés dans les cellules et les packs, notamment l'aluminium, l'acier, le cuivre, l'aluminium, le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse, l'électrolyte, le fer, le phosphore et les liants , boîtiers, noir de carbone, silicium, séparateurs, nanotubes de carbone, polymère renforcé de fibres de carbone, polymère renforcé de fibres de verre, matériaux d'interface thermique, matériaux de protection contre l'incendie, isolation électrique, plaques froides et tuyaux de refroidissement.

Pour en savoir plus, y compris des exemples de pages téléchargeables, veuillez visiter www.IDTechEx.com/EVBattMat.

Prochain webinaire gratuit

Matériaux de batterie EV : l'avenir de la chimie cellulaire et de la structure des packs

Le Dr James Edmondson, analyste technologique principal chez IDTechEx et auteur de cet article, présentera un webinaire gratuit le jeudi 8 juin 2023 - EV Battery Materials: The Future of Cell Chemistry and Pack Structure.

Ce webinaire couvrira :

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