Matériaux d'électrode Cathodes et anodes pour batteries Li-ion et Na-ion : structure cristalline, tension moyenne, capacité théorique (calculée à partir de la formule) et capacité pratique typique, chacune avec ses sources.
Li-ion Na-ion
Toutes Cathodes Anodes
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 100 150 300 500 700 1000 1500 3000 Capacité spécifique (mAh/g, échelle log) Tension moyenne (V vs Li/Li⁺) LMO LCO NMC111 NMC811 NCA LFP LTO Silicium Graphite Lithium métal
LiCoO₂
Structure Lamellaire (type α-NaFeO₂) · Trigonal R3 m (n° 166) Tension ≈3,8 V vs Li/Li⁺ [32 , 33 , 34 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 97,87 g/mol) = 273,8 mAh/g (1 Li par LiCoO₂)
Pratique ≈140–150 mAh/g
Énergie spécifique ≈560 Wh/kg (à l'échelle du matériau, Q × V)
Durée de vie Bonne si la charge s'arrête vers 4,2 V ; s'use plus vite avec des tensions de coupure plus élevées. Haute densité d'énergie volumique Fabrication simple et éprouvée Le cobalt est cher et son approvisionnement contraint Seule la moitié environ du lithium peut être cyclée LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂
Structure Lamellaire (type α-NaFeO₂) · Trigonal R3 m (n° 166) Tension ≈3,7 V vs Li/Li⁺ [32 , 37 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 96,46 g/mol) = 277,9 mAh/g (1 Li par unité formulaire)
Pratique 150 mAh/g (3,5–4,2 V) ; 200 mAh/g jusqu'à 5,0 V
Énergie spécifique ≈560 Wh/kg (à l'échelle du matériau, Q × V)
Durée de vie Bonne ; un choix courant pour les cellules de véhicules électriques à longue durée de vie. Bon équilibre entre capacité, sécurité et coût Moins de cobalt que LCO Contient encore du cobalt Tension plus basse que LCO LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂
Structure Lamellaire (type α-NaFeO₂) · Trigonal R3 m (n° 166) Tension ≈3,7 V vs Li/Li⁺ [38 , 39 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 97,28 g/mol) = 275,5 mAh/g (1 Li par unité formulaire)
Pratique ≈200 mAh/g
Énergie spécifique ≈740 Wh/kg (à l'échelle du matériau, Q × V)
Durée de vie >95 % de la capacité conservée après 100 cycles en demi-cellule ; les grades plus riches en Ni s'usent plus vite. Haute capacité Peu de cobalt Fissuration des particules et réactivité de surface Mise en œuvre délicate (humidité, résidus de Li) LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂
Structure Lamellaire (type α-NaFeO₂) · Trigonal R3 m (n° 166) Tension ≈3,7 V vs Li/Li⁺ [32 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 96,08 g/mol) = 278,9 mAh/g (1 Li par unité formulaire)
Pratique ≈199 mAh/g
Énergie spécifique ≈740 Wh/kg (à l'échelle du matériau, Q × V)
Durée de vie Bonne, mais sensible aux hautes températures et aux cycles profonds. Haute capacité et haute énergie spécifique L'aluminium améliore la stabilité Contient du cobalt et du nickel Stabilité thermique inférieure à celle de LFP LiFePO₄
Structure Olivine · Orthorhombique Pnma (n° 62) Tension ≈3,4–3,5 V (plat) vs Li/Li⁺ [32 , 35 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 157,75 g/mol) = 169,9 mAh/g (1 Li par LiFePO₄)
Pratique ≈160–165 mAh/g
Énergie spécifique ≈570 Wh/kg (à l'échelle du matériau, Q × V)
Durée de vie Très longue ; la plus durable des cathodes courantes. Fer bon marché et abondant ; ni cobalt ni nickel Très sûr et très durable Tension et densité d'énergie plus faibles Exige un enrobage de carbone et de petites particules pour conduire LiMn₂O₄
Structure Spinelle · Cubique Fd3 m (n° 227) Tension ≈4,1 V vs Li/Li⁺ [32 , 36 , 55 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 180,81 g/mol) = 148,2 mAh/g (1 Li par LiMn₂O₄)
Pratique ≈120 mAh/g
Énergie spécifique ≈490 Wh/kg (à l'échelle du matériau, Q × V)
Durée de vie Moyenne ; le manganèse se dissout à température élevée et empoisonne l'anode. Manganèse bon marché et non toxique Chemins 3D pour Li⁺ : bonne puissance La plus faible capacité des cathodes courantes La dissolution du Mn raccourcit la durée de vie C₆ → LiC₆
Structure Lamellaire (feuillets de graphène, empilement AB) · Hexagonal P63 /mmc (n° 194) Tension ≈0,1–0,2 V (plateaux de staging) vs Li/Li⁺ [32 , 42 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 72,07 g/mol) = 371,9 mAh/g (1 Li par C₆ (LiC₆), par gramme de carbone)
Pratique ≈350–360 mAh/g
Durée de vie Longue ; l'anode standard des cellules Li-ion commerciales. Potentiel bas et plat : tension de cellule élevée Bon marché et durable Proche de 0 V : risque de dépôt de lithium en charge rapide ou à basse température Capacité limitée à LiC₆ Si → Li₁₅Si₄
Structure Cubique type diamant (amorphe une fois lithié) · Cubique Fd3 m (n° 227) Tension ≈0,4 V vs Li/Li⁺ [40 ]
Théorique 3,75 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 28,09 g/mol) = 3578,6 mAh/g (3,75 Li par Si (Li₁₅Si₄), par gramme de silicium)
Pratique Des milliers de mAh/g en principe ; en général mélangé au graphite
Durée de vie Courte pour le Si pur : une expansion volumique d'environ 280 % fissure les particules et la SEI. Environ dix fois la capacité du graphite Abondant et bon marché Énorme variation de volume à la lithiation La croissance continue de la SEI consomme du lithium Li₄Ti₅O₁₂ → Li₇Ti₅O₁₂
Structure Spinelle (« zéro déformation ») · Cubique Fd3 m (n° 227) Tension 1,55 V (plat) vs Li/Li⁺ [41 ]
Théorique 3 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 459,08 g/mol) = 175,1 mAh/g (3 Li par Li₄Ti₅O₁₂)
Pratique ≈170 mAh/g
Durée de vie Excellente : le réseau change à peine de taille, donc les particules ne se dégradent pas. Aucune variation de volume (« zéro déformation ») Sûr : bien au-dessus du potentiel de dépôt du lithium Potentiel élevé : tension et énergie de cellule plus basses Capacité inférieure à celle du graphite Li
Structure Métal cubique centré · Cubique Im3 m (n° 229) Tension 0 V (référence) vs Li/Li⁺ [43 ]
Théorique 1 × 96485 C/mol ÷ (3,6 × 6,94 g/mol) = 3861,9 mAh/g (par gramme de lithium)
Pratique ≈3860 mAh/g
Durée de vie Limitée par les dendrites et une faible efficacité coulombique ; une cible clé des électrolytes solides. Capacité la plus élevée et potentiel le plus bas possibles Rend possibles les cellules Li–S et tout-solide Les dendrites peuvent court-circuiter la cellule Réagit avec les électrolytes liquides 