Alors que la densité énergétique des batteries de puissance approche de sa limite théorique et que les contraintes de sécurité des batteries à électrolyte liquide apparaissent de plus en plus clairement, les batteries à électrolyte solide sont considérées comme une voie technologique clé pour les batteries de nouvelle génération à haute densité énergétique. Éléments centraux des batteries à l'état solide, le choix des matériaux d'électrolyte solide et leurs procédés de fabrication déterminent directement la densité énergétique, la sécurité, la durée de vie et les performances en régime de charge de la batterie. Les électrolytes solides à base d’oxyde, grâce à leur excellente stabilité thermique, leur stabilité chimique et leur sécurité intrinsèque, sont devenus l’une des voies principales pour l’industrialisation des batteries hybrides solide-liquide et des batteries entièrement à l’état solide. Pour relever les défis liés à la fabrication à grande échelle de ce matériau essentiel, Longxin Smart utilise son unité de nano-broyage et de séchage par atomisation des matériaux de batterie comme plateforme technologique clé afin de faire passer les électrolytes solides à base d’oxyde du stade du développement en laboratoire à celui de la production à grande échelle.
L'accent est mis sur les électrolytes à l'état solide à base d'oxyde pour relever les défis liés à l'industrialisation des batteries entièrement à l'état solide
Dans les systèmes de batteries à état solide, l'électrolyte solide remplit la fonction essentielle de transport des ions lithium entre les électrodes positive et négative. Les principaux systèmes de matériaux comprennent les électrolytes de type grenat tels que le LLZO, les électrolytes de type NASICON tels que le LATP, les électrolytes de type pérovskite tels que le LLTO, et les électrolytes amorphes tels que le LiPON. Parmi ceux-ci, le LLZO a suscité un intérêt considérable en raison de sa stabilité vis-à-vis des anodes en lithium métallique et de sa large fenêtre électrochimique. Le LATP est adapté aux systèmes de cathodes haute tension en raison de son coût relativement faible et de sa bonne stabilité à l'air.
À mesure que l’industrialisation s’accélère, l’attention du secteur se détourne des indicateurs de performance électrochimiques individuels pour se concentrer sur la maîtrise coordonnée des caractéristiques des poudres, du comportement au frittage et de la structure des joints de grains. Pour que les électrolytes solides à base d’oxydes puissent être déployés à l’échelle industrielle, les matériaux doivent non seulement présenter une conductivité ionique élevée, mais aussi une distribution granulométrique étroite, une bonne sphéricité, une faible teneur en impuretés et une homogénéité d’un lot à l’autre. L’obtention de ces propriétés dépend fortement de la stabilité des performances des équipements et des procédés de fabrication en amont.
De la “ fabrication du matériau ” à sa “ production en série ” : les équipements sont essentiels à la montée en puissance
Le passage d’un électrolyte solide de la recherche en laboratoire à la production à grande échelle nécessite plusieurs étapes, notamment la recherche sur les matériaux, la validation des procédés, l’adaptation des équipements et la mise à l’échelle technique. Dans les modèles d’exploitation conventionnels, une précision insuffisante de l’alimentation manuelle, une faible efficacité de dispersion et de broyage, ainsi que le recours à des transferts manuels entre les étapes du processus peuvent entraîner une mauvaise homogénéité des lots, des risques accrus d’introduction d’impuretés et des cycles de production longs. Ces limites rendent difficile le respect des exigences strictes en matière de pureté et d’homogénéité des matériaux destinés aux batteries à électrolyte solide.
Les avancées dans les procédés de fabrication des matériaux sont donc essentielles à la commercialisation de cette technologie. Cela reflète le principe industriel selon lequel “ à chaque génération de matériaux correspond une génération d’équipements ” : sans équipements de fabrication de pointe parfaitement adaptés au système de matériaux, même la formulation la plus prometteuse ne peut être transformée de manière fiable en un produit de série homogène.
Une génération de matériaux, une génération d'équipements : le parcours technique de l'unité intégrée de nano-broyage et de séchage par atomisation des matériaux pour batteries
Afin de répondre aux exigences de fabrication des matériaux de batteries haut de gamme, tels que les électrolytes à l'état solide à base d'oxyde, Longxin Smart a combiné les technologies clés de son broyeur à billes nanométriques et de son sécheur par atomisation de poudres ultrafines pour mettre au point un procédé intégré reposant sur un broyage nanométrique par voie humide, suivi d'une élimination du solvant et d'un séchage.
(1) Procédé de mélange en milieu humide : traitement de précision à l'échelle nanométrique en phase liquide
Ce procédé est adapté aux applications haut de gamme qui exigent un contrôle rigoureux de la taille des particules et une dispersion homogène. Après le dosage, la suspension est acheminée par pompage vers un broyeur à billes nano « Longxin Smart ». Les billes de broyage, telles que les billes de zircone, tournent à grande vitesse pour créer un champ de cisaillement puissant qui broie efficacement les particules jusqu’à la finesse souhaitée. La structure composite à turbine et à broches, ainsi que les composants de broyage modulaires, permettent un contrôle stable de la taille de particule D50 et offrent une excellente largeur de distribution granulométrique.
(2) Procédé d'élimination du solvant et de séchage : formation rapide de particules
La suspension ayant atteint les spécifications de broyage requises est rapidement traitée par séchage par atomisation afin d’éliminer le solvant et d’obtenir une poudre d’électrolyte solide à l’échelle nanométrique. Le sécheur par atomisation pour poudres ultrafines Longxin Smart utilise un atomiseur centrifuge à grande vitesse pour transformer le produit d'alimentation en gouttelettes uniformes. Après contact avec de l'air chaud, le séchage s'achève en quelques secondes, produisant une poudre présentant une sphéricité élevée et une distribution granulométrique concentrée.
(3) Avantages du procédé qui contribuent directement aux performances de la batterie
Le procédé humide à l'échelle nanométrique permet d'obtenir une distribution granulométrique plus étroite et une meilleure sphéricité des particules, deux facteurs essentiels pour améliorer la densité et la conductivité ionique des feuilles d'électrolyte. Une sélection et une optimisation minutieuses du système de solvants favorisent une dispersion efficace tout en minimisant la quantité de solvant résiduel. Ce solvant résiduel peut également être entièrement éliminé par un traitement thermique ultérieur afin d'éviter tout effet néfaste sur les performances de la batterie.
(4) Un sécheur-atomiseur polyvalent à centrifugation et à flux d'air destiné à divers procédés
Afin de répondre aux exigences liées à la fabrication de poudres ultrafines d'électrolytes solides composites à base d'oxydes multicomposants, Longxin Smart a mis au point un sécheur-atomiseur polyvalent à centrifugation et à flux d'air, équipé d'atomiseurs centrifuges, à flux d'air et à pression. Les utilisateurs peuvent changer de méthode d'atomisation en fonction des caractéristiques du matériau ou ajouter des lances de pulvérisation pour augmenter la capacité à mesure que les besoins de production augmentent, alliant ainsi flexibilité du procédé et rentabilité de l'équipement.
Le système est équipé d'un filtre à manches à jet pulsé performant et d'une unité de récupération de chaleur. L'efficacité de captage des poussières est élevée, et la chaleur résiduelle est récupérée et réutilisée, ce qui contribue à la fois au respect des normes environnementales et à la réduction de la consommation d'énergie.
Couverture complète des matériaux : une plateforme technologique unique pour répondre à des besoins variés
Le développement des matériaux destinés aux batteries à semi-conducteurs suit plusieurs voies technologiques parallèles, et les exigences de fabrication varient considérablement d’un matériau à l’autre. S’appuyant sur ses deux technologies phares — le broyage et la dispersion à l’échelle nanométrique, ainsi que le séchage par atomisation —, Longxin Smart a mis au point des solutions d’équipement couvrant toute une gamme de matériaux essentiels :
(1) Électrolytes à base de sulfure
Les électrolytes sulfurés étant sensibles à l'air et à l'humidité et sujets à l'oxydation, le séchoir-atomiseur en circuit fermé utilise un gaz inerte, tel que l'azote, comme fluide de circulation et fonctionne selon un procédé entièrement confiné. Les solvants organiques évaporés sont condensés, séparés et récupérés en vue de leur réutilisation. Cela permet d'éviter la dégradation des matériaux tout en facilitant le recyclage des solvants. Des modèles de laboratoire, à l'échelle pilote et industriels de grande taille sont disponibles pour répondre aux besoins à chaque étape, de la recherche à la production en série.
(2) Électrolytes polymères
Le sécheur par atomisation à flux d'air permet d'obtenir une poudre ultrafine dont la taille des particules est de l'ordre du micron et dont la distribution granulométrique est concentrée. Sa buse d'atomisation est fabriquée à partir de matériaux résistants à l'usure, et son système de contrôle permet un réglage précis des paramètres clés, tels que la température de l'air d'admission, offrant ainsi une plateforme de validation des procédés pour les nouvelles formulations et les nouveaux procédés.
(3) Matériaux de cathode à base de manganèse riches en lithium (LMFP), anodes silicium-carbone et liants
Le système de broyage nanométrique prend en charge les formulations aqueuses, à base d'huile et à base de solvants, et permet de stocker plusieurs recettes de processus. Associé au séchage par atomisation et à un contrôle automatisé de l'ensemble de la ligne, il permet des changements de production flexibles entre plusieurs types de produits, répondant ainsi aux exigences des entreprises du secteur des matériaux en matière de R&D et de production pour les petits lots et les spécifications multiples.
Collaboration entre l'industrie, le monde universitaire et la recherche : mettre en place un parcours complet, de la technologie à l'industrie
Ces dernières années, Longxin Smart a poursuivi sa collaboration avec des universités, des instituts de recherche et des équipes techniques spécialisées dans le cadre d’initiatives associant l’industrie, le monde universitaire et la recherche. Les travaux se sont concentrés sur la recherche technique et la commercialisation dans les domaines des matériaux avancés pour batteries, du broyage et de la dispersion à l'échelle nanométrique, des nanotubes de carbone, des électrolytes solides, de la nanocellulose et d'autres domaines. Ces efforts ont progressivement permis de mettre en place une filière de transfert de technologie couvrant la recherche sur les matériaux, la validation des procédés, les équipements clés, la mise à l'échelle des procédés et les applications industrielles.
S'appuyant sur ses technologies de production en ligne de broyage nanométrique et de séchage par atomisation ultrafin, sa plateforme de validation expérimentale, ses capacités de développement d'équipements clés et son expertise en ingénierie à tous les niveaux, Longxin Smart s'efforce d'établir un lien étroit entre la recherche scientifique et les besoins industriels. L'entreprise apporte un soutien systématique au niveau des équipements, des procédés et de l'ingénierie afin de faire passer les matériaux clés des batteries à l'état solide du stade de la recherche expérimentale à celui de la fabrication à grande échelle.
Construire ensemble l’avenir du “ lithium ” : explorer une nouvelle voie pour la fabrication intelligente de matériaux destinés aux batteries à l’état solide à haute énergie de nouvelle génération
À première vue, la course à l’industrialisation des batteries à état solide s’apparente à une compétition entre différents systèmes de matériaux. En réalité, il s’agit toutefois d’une compétition portant sur les procédés de fabrication et les capacités des équipements. Du broyage nanométrique et du séchage par atomisation ultrafine pour les électrolytes à base d’oxyde au séchage en boucle fermée sous gaz inerte pour les électrolytes à base de sulfure, Longxin Smart s’appuie sur plus d’une décennie d’expérience technique pour continuer à faire progresser les équipements de séchage, les systèmes thermiques industriels et les équipements intelligents. L’entreprise propose des solutions de fabrication efficaces, économes en énergie et intelligentes pour le secteur des matériaux de base des batteries à l’état solide.
À l'avenir, Longxin Smart continuera à renforcer son portefeuille de solutions couvrant l'ensemble de la chaîne de valeur, en s'appuyant sur l'innovation technologique pour soutenir la modernisation industrielle et la fabrication verte et intelligente, afin de stimuler son développement futur. En collaboration avec ses partenaires industriels, l’entreprise explorera de nouvelles voies de fabrication intelligente pour les matériaux clés utilisés dans les batteries de traction à l’état solide de haute énergie de nouvelle génération et contribuera à faire progresser le secteur des énergies nouvelles vers plus d’efficacité, de responsabilité environnementale et de durabilité.
