Comment l’oxyde d’aluminium améliore les batteries lithium-ion

L’essor des véhicules électriques (VE) dépend en grande partie de l’amélioration des performances des batteries lithium-ion, notamment en termes d’autonomie et de sécurité. Une équipe de recherche coréenne a mis au point une technologie clé pour garantir la stabilité de charge/décharge et la longévité des batteries lithium-ion dans des conditions de charge rapide.

Un des principaux obstacles à l’adoption généralisée des VE est l’amélioration des performances des batteries lithium-ion, notamment en termes d’autonomie et de sécurité. La charge rapide est également essentielle pour la commodité des utilisateurs. Cependant, augmenter la densité énergétique des batteries lithium-ion nécessite des électrodes plus épaisses, ce qui peut entraîner une dégradation de la batterie et une détérioration des performances lors de la charge rapide.

Pour résoudre ce problème, l’équipe du KERI a découvert une solution en revêtant partiellement la surface de l’anode de la batterie lithium-ion avec des particules d’oxyde d’aluminium (Al2O3) de moins de 1 micromètre (㎛). Alors que de nombreux chercheurs se concentrent sur les matériaux à l’intérieur de l’électrode, l’équipe du Dr Choi a utilisé une technique de traitement simple pour revêtir la surface de l’électrode avec de l’oxyde d’aluminium.

Les avantages de l’oxyde d’aluminium

Peu coûteux, excellent isolant électrique et résistant à la chaleur, chimiquement stable et doté de bonnes propriétés mécaniques, l’oxyde d’aluminium est largement utilisé dans diverses céramiques. Les chercheurs du KERI ont découvert que les particules d’oxyde d’aluminium contrôlent efficacement l’interface entre l’anode et l’électrolyte dans les batteries lithium-ion, formant une autoroute interfaciale pour un transport efficace des ions Li+. Cela empêche la déposition de lithium (un changement irréversible qui rend le lithium indisponible pour des charges et décharges supplémentaires) lors de la charge rapide, assurant ainsi la stabilité et la longévité de la batterie lithium-ion.

Augmentation de la densité énergétique

Un autre avantage de cette technologie est qu’elle permet d’augmenter la densité énergétique des batteries lithium-ion. L’introduction d’autres matériaux fonctionnels à l’intérieur de l’électrode pour améliorer les performances et la stabilité complique souvent le processus de synthèse et réduit la quantité de lithium réversible (efficacité coulombique initiale). Cela augmente également l’épaisseur de l’électrode, entraînant une détérioration des performances lors de la charge rapide. Cependant, la technologie du KERI implique un traitement de surface de l’anode en graphite, plutôt que de modifier les matériaux actifs internes en graphite. Cette approche permet d’obtenir des performances stables même dans des conditions de charge rapide pour des électrodes à film épais à haute densité énergétique sans perte de lithium réversible.

Des performances de classe mondiale

Grâce à divers tests, l’équipe a confirmé que l’anode à haute densité énergétique revêtue d’oxyde d’aluminium (4,4 mAh/cm²) présente des performances de classe mondiale, maintenant plus de 83,4 % de sa capacité (ratio de capacité résiduelle) même après 500 cycles de charge rapide. Cette performance a été vérifiée avec des cellules pouch de jusqu’à 500 mAh. L’équipe prévoit maintenant de mettre à l’échelle la technologie pour la rendre applicable à des cellules de grande surface et de capacité moyenne à grande.

«La charge rapide pratique et la densité énergétique des batteries lithium-ion ont longtemps été considérées comme un compromis, ce qui a freiné l’adoption généralisée des véhicules électriques,» a précisé le Dr Choi. «Notre travail contribuera au développement de batteries lithium-ion stables et à haute densité énergétique capables de charge rapide. Cette avancée contribuera à une adoption plus large des VE et soutiendra l’atteinte de la neutralité carbone nationale.»

L’excellence de ce travail a été démontrée par des enregistrements de brevets en Corée et aux États-Unis. Les résultats ont également été publiés dans une récente édition de Advanced Functional Materials, une revue internationale renommée dans le domaine de l’ingénierie des matériaux (JCR Impact Factor 19, top 3,7 %).

Légende illustration : Dispersion d’oxyde d’aluminium (à gauche) et anode pour batterie lithium-ion qui la recouvre. Crédit KERI

Article : « Multi-Interface Strategy for Electrode Tailoring Toward Fast-Charging Lithium-Ion Batteries » – DOI: 10.1002/adfm.202400414