Quand l’humidité profite aux batteries

On trouve parfois des solutions simples à des problèmes complexes, comme l’a démontré l’équipe du professeur Lionel Roué de l’INRS qui a amélioré astucieusement les performances d’électrodes à base de silicium pour les batteries lithium-ion.

Le fait est largement connu : la robustesse des électrodes de ces batteries utilisées dans une foule d’appareils est un facteur important pour la durée de leur vie utile. Or, selon la publication de l’équipe dans la revue Advanced Energy Materials, on améliore la performance des électrodes jusqu’à dix fois grâce à un procédé de maturation.

Type de batterie le plus populaire dans les appareils électroniques et les véhicules électriques, les batteries Lithium-ion (LIB) présentent de nombreux avantages : haute densité d’énergie, effet mémoire réduit et faible autodécharge. Cependant, au fil de l’évolution des produits, les manufacturiers doivent produire des batteries toujours plus performantes. Autre défi, elles auront à devenir flexibles.

Ces nouvelles caractéristiques ajoutent un énorme stress sur les électrodes, partie délicate des LIB. Afin de répondre à ces exigences, de faciliter la fabrication et d’augmenter la durée de vie des LIB, les chercheurs veulent améliorer les propriétés mécaniques des électrodes. Ceci est particulièrement critique pour les électrodes à base de silicium dont l’expansion volumique en cyclage peut atteindre 270 %.

Dans le laboratoire du professeur Roué, l’étudiant à la maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux Cuauhtémoc Reale Hernandez a développé un procédé post-synthèse pour les électrodes à base de silicium concrétisant l’amélioration recherchée. Avant d’être assemblées dans les éléments de batterie, les électrodes sont placées dans un environnement humide pendant deux ou trois jours. Elles sont ensuite séchées et assemblées.

Cette étape très simple mène à des résultats impressionnants. Elle fortifie les connexions entre les particules de silicium, ce qui solidifie significativement la structure de l’électrode. Aussi, l’adhésion entre le film de cuivre collectant le courant et l’électrode est renforcée. Cela se traduit par une plus grande stabilité mécanique et une augmentation marquée du nombre de cycles de charge-décharge soutenue par la LIB. Qui plus est, ces électrodes à base de silicium ont une capacité de stockage plus de trois fois supérieure à celle des anodes de graphite utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales.

Les électrodes à base de silicium ayant bénéficié de la maturation proposent une solution facile à intégrer dans la fabrication de batteries plus durables, ce qui est fort recherché tant pour les utilisateurs d’appareils électroniques et de véhicules électriques que par les grandes entreprises qui les conçoivent.

image : professeur Lionel Roué © Christian Fleury

À propos de cette publication
Les résultats mentionnés ont été publiés dans la revue Advanced Energy Materials sous le titre original « A Facile and Very Effective Method to Enhance the Mechanical Strength and the Cyclability of Si-Based Electrodes for Li-Ion Batteries » (DOI: 10.1002/aenm.201701787). Cette publication a été réalisée par Cuauhtémoc Reale Hernandez, Aurélien Etiemble, Thierry Douillard, Driss Mazouzi, Zouina Karkar, Eric Maire, Dominique Guyomard, Bernard Lestriez, sous la direction du professeur Lionel Roué. Ce travail a été rendu possible grâce au soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et Transition énergétique Québec.

[ Article repris avec l'aimable autorisation ]

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