Le phosphate de fer et de lithium (LFP) a pour formule chimique LiFePO₄. Son gène de sécurité réside dans sa structure unique en olivine, telle une armure robuste pour les ions lithium.
La structure détermine le destin
1. Structure cristalline : une « voie sûre » pour les ions lithium
Au microscope, les cristaux de LFP apparaissent en forme d'olivine (structure hexagonale). Dans cette structure :
Les tétraèdres PO₄³⁻ forment une structure solide, comparable aux barres d'acier des bâtiments. Cette structure résiste bien, même sous forte chaleur.
Les ions Fe²⁺ résident dans les interstices du squelette, stabilisant la structure ;
Les ions Li⁺ circulent dans les voies, s'insérant et se désinsérant pendant la charge et la décharge. Cela permet de maintenir un chemin dégagé et d'éviter toute déviation.
Cette structure est beaucoup plus durable que les matériaux ternaires. Lorsque la batterie est soumise à des chocs ou à des températures élevées, le squelette PO₄³⁻ reste solide. Cela empêche l'oxygène de s'échapper, ce qui peut provoquer une combustion dans les matériaux ternaires. Des expériences montrent que le LFP se décompose à plus de 500 °C. En revanche, les matériaux ternaires comme le NCM811 commencent à se dégrader à 200 °C.
2. Principe de charge et de décharge : « Mouvement ionique » doux
La charge et la décharge du LFP s'apparentent à un « mouvement ionique » fluide. Elles diffèrent des réactions intenses observées dans les matériaux ternaires.
Lors de la charge, le Li⁺ quitte l'électrode positive (LiFePO₄). Il traverse l'électrolyte jusqu'à l'électrode négative (graphite) et forme du LiC₆.
Lors de la décharge, le Li⁺ passe de l'électrode négative à l'électrode positive. Simultanément, les électrons circulent dans le circuit externe pour créer du courant.
La réaction redox entre Fe²⁺ et Fe³⁺ est douce. Elle diffère des réactions violentes des métaux de transition tels que le nickel et le cobalt. Ces métaux, présents dans les matériaux ternaires, dégagent beaucoup de chaleur. Les variations de température du LFP pendant la charge et la décharge sont minimes, généralement inférieures à 20 °C.
Introduction à la performance : avantages et inconvénients du LFP
Aucune batterie n'est parfaite. Les performances de la LFP peuvent être résumées comme « deux points forts et deux points faibles ». Comprendre ces caractéristiques est essentiel pour appréhender ses scénarios d'application.
1. Deux avantages principaux : la sécurité et la durée de vie
Sécurité maximale :
Le LFP présente un avantage unique : il ne libère pas d'oxygène. De plus, il résiste aux températures élevées. Les matériaux ternaires dégagent de l'oxygène lorsqu'ils sont chauffés, ce qui favorise la combustion. En revanche, le LFP se décompose en substances ininflammables comme Fe₂O₃ et P₂O₅. C'est également la clé de sa résistance à l'inflammation lors des essais de pénétration et de compression à l'aiguille.
Cycle de vie incroyable :
La structure olivine des batteries LFP ne change de volume que de 3,71 TP3T lors de la charge et de la décharge. En revanche, les matériaux ternaires changent de 7,101 TP3T. Cela confère une grande stabilité structurelle. Les batteries LFP classiques durent de 3 000 à 5 000 cycles. Cependant, les batteries LFP conçues pour le stockage d'énergie peuvent supporter plus de 10 000 cycles. Si vous les chargez et les déchargez quotidiennement, cela représente environ 27 ans d'utilisation.
2. Deux défauts importants : la densité énergétique et les performances à basse température
Faible densité énergétique :
La densité énergétique théorique des batteries LFP est de 170 mAh/g. Cependant, les batteries produites en série ont généralement une densité énergétique de 150 à 200 Wh/kg. En revanche, les matériaux ternaires comme le NCM811 peuvent atteindre 250 à 300 Wh/kg. Les batteries LFP ont une autonomie plus courte pour un poids identique. Par exemple, un véhicule LFP avec le même volume de batterie peut atteindre 500 km, tandis qu'un véhicule en matériau ternaire peut parcourir 600 km.
« Perte de puissance » importante à basse température :
En dessous de 0 °C, la conductivité ionique du LFP diminue, compromettant l'efficacité et la capacité de charge. À -20 °C, la capacité de rétention du LFP est d'environ 601 TP3T, tandis que celle des matériaux ternaires peut atteindre 751 TP3T. C'est pourquoi les utilisateurs du nord de la Chine privilégient les batteries ternaires.
Avancée technologique : Comment faire pour que la LFP « renforce ses atouts et surmonte ses faiblesses » ?
1. Modification matérielle : accélération de la production de LFP
Nanoidisation et revêtement de carbone :
La fabrication de particules LFP à l'échelle nanométrique (< 100 nm) augmente leur surface, permettant une migration plus rapide des ions lithium. Le revêtement de la surface par une couche de carbone (2 à 5 nm d'épaisseur) multiplie la conductivité par 1 000. La LFP modifiée améliore les performances de charge de 1 C à 5 C (charge complète en 12 minutes).
Dopage par ions métalliques :
Le dopage avec des ions métalliques comme Mg²⁺ et Nb³⁺ améliore la structure cristalline. Il améliore également les performances à basse température. Le « LFP basse température » de CATL atteint une capacité de rétention de 75% à -20 °C, proche du niveau des matériaux ternaires.
2. Innovation structurelle : la « magie spatiale » de la batterie Blade de BYD
Les batteries LFP traditionnelles utilisent des modules carrés, ce qui permet une utilisation de l'espace de seulement 60%. La batterie Blade de BYD utilise des cellules longues et fines de 1,5 mètre de long et 10 centimètres de large. Ces cellules s'insèrent dans le bloc-batterie comme une « lame ». Cette conception permet d'optimiser l'espace à plus de 90%.
Cette conception permet au système LFP d'atteindre une densité énergétique supérieure à 180 Wh/kg. Il offre également une autonomie de 600 km et une excellente résistance aux crevaisons. En 2023, le BYD Han EV équipé de batteries Blade a obtenu la note « zéro combustion spontanée » au crash-test C-NCAP.
3. Intégration système : « L’art de la soustraction » de la technologie CTP
La technologie CTP de CATL supprime le boîtier du module dans les packs de batteries. Cela permet de compacter les cellules LFP. Une plaque refroidie par eau gère la température. Cette conception :
Réduit le poids de 15% et augmente la densité énergétique de 10% ;
Réduit les coûts de 10% (éliminant les matériaux du module et les coûts d'assemblage).
Les packs de batteries LFP avec CTP sont courants dans les stations de stockage d'énergie, comme la station de base 5G de Huawei, et dans les véhicules commerciaux, tels que les bus électriques Yutong.
Carte d'application : Où se trouve le « terrain d'attache » de la LFP ?
Grâce à ses avantages en termes de sécurité et de coût, le LFP est devenu une nécessité dans les scénarios suivants :
1. Véhicules à énergie nouvelle : une contre-attaque du bas de gamme au haut de gamme
**Modèles d'entrée de gamme** : la Wuling Hongguang MINI EV est équipée de batteries LFP. Cela permet de réduire les coûts de 15%, ramenant le prix à 30 000 yuans.
**Modèles milieu et haut de gamme** : Les BYD Han EV et Xiaopeng P5 utilisent des versions à batterie Blade/LFP. Leur autonomie peut atteindre 600 km. Cette configuration allie sécurité et autonomie.
Véhicules utilitaires : Les bus et les véhicules logistiques sont chargés et déchargés 2 à 3 fois par jour. La longue durée de vie des batteries LFP (10 ans/500 000 kilomètres) permet de réduire les coûts globaux du cycle de vie.
2. Centrales de stockage d'énergie : la « maison absolue » de LFP
70% des centrales électriques de stockage d'énergie mondiales utilisent des batteries LFP pour trois raisons :
Longue durée de vie (10 000 cycles), ne nécessitant aucun remplacement pendant 20 ans ;
Faible coût (0,5 yuan/Wh), 30% inférieur aux matériaux ternaires ;
Un niveau de sécurité élevé prévient les incendies dans les centrales de stockage d'énergie. L'incendie de 2021 au Texas a été causé par des batteries ternaires.
Les projets chinois de stockage d'énergie photovoltaïque et basse consommation (PV + LFP), comme la centrale de 100 MW de la préfecture de Haixi, au Qinghai, ont permis de réduire les coûts. Le prix du kilowattheure est désormais de seulement 0,3 yuan, ce qui le rend moins cher que la production d'électricité au charbon.
3. Véhicules à deux roues et applications spécialisées
Vélos électriques : Les modèles haut de gamme de Yadea et Aima utilisent des batteries LFP. Ces batteries conservent 80% de leur capacité après 500 charges. Leur durée de vie est donc trois fois supérieure à celle des batteries au plomb.
Navires et équipements souterrains : Dans les espaces restreints comme les sous-marins et les mines de charbon, la nature non explosive du LFP est essentielle. Le LFP a été utilisé comme source d'énergie de secours pour la sonde sous-marine chinoise « Struggler ».
La part de marché des LFP est passée de moins de 10% en 2015 à plus de 50% en 2023. Cette croissance s'explique par l'importance accordée par le secteur des nouvelles énergies à l'équilibre entre sécurité et coût. Les véhicules électriques deviennent des « nécessaires domestiques », et non plus de simples « outils d'expérience ». Le stockage d'énergie passe du statut d'« énergie d'appoint » à celui de « pilier du réseau ». Les LFP offrent stabilité et fiabilité, deux avantages clés.
À l'avenir, de meilleurs électrolytes solides et un dopage aux ions sodium pourraient améliorer la densité énergétique et les performances du LFP à basse température. Quelles que soient ses évolutions, son principe fondamental de « sécurité » lui assurera un succès durable sur le marché concurrentiel des batteries de puissance.
