Les batteries lithium-ion sont essentielles à la vie moderne, alimentant les véhicules électriques, l’électronique portable et les systèmes de stockage d’énergie. Si des progrès majeurs ont amélioré les matériaux des batteries, des défis importants subsistent dans la fabrication, en particulier dans la préparation de la barbotine d’électrode, un mélange qui affecte directement la conductivité électrique, la stabilité et les performances globales de la batterie.
L’étude de ces barbotines est difficile car la plupart des techniques les examinent dans des conditions statiques, alors que la fabrication réelle implique de fortes forces de cisaillement lors du mélange et de l’enduction. Sous cisaillement, les additifs conducteurs comme le noir de carbone peuvent se réorganiser, modifiant le réseau interne qui contrôle la facilité avec laquelle les électrons se déplacent dans l’électrode. Ces effets sont difficiles à capturer avec les méthodes conventionnelles.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université des Sciences de Tokyo (TUS), au Japon, ont appliqué et étendu la spectroscopie rhéo-impédance pour évaluer les barbotines d’électrode dans des conditions de cisaillement proches de l’enduction. La technique, précédemment développée par le même groupe, intègre une déformation par cisaillement contrôlée avec la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), qui mesure la facilité avec laquelle les signaux électriques traversent un matériau. Cela permet aux chercheurs d’observer comment les réseaux conducteurs évoluent à l’intérieur des barbotines complexes de batterie pendant le traitement.
« En reproduisant des conditions de cisaillement proches de celles utilisées lors de l’enduction des électrodes et en évaluant la barbotine in situ, nous pouvons relier l’état de la barbotine au réseau conducteur formé après séchage et aux performances de la batterie. Cela permet d’identifier des conditions d’enduction prometteuses avant l’assemblage des cellules », déclare le Dr Shitanda. Étant donné que la méthode s’appuie sur des techniques établies telles que la rhéométrie et la spectroscopie d’impédance électrochimique, elle pourrait être adoptée relativement rapidement dans les laboratoires de recherche et de développement de procédés après calibration pour des formulations de barbotine spécifiques.
Les chercheurs ont appliqué cette méthode à des barbotines de cathode en phosphate de fer lithié (LiFePO4), largement utilisées dans les batteries lithium-ion. À l’aide d’un rhéomètre rotatif, ils ont appliqué des forces de cisaillement contrôlées similaires à celles subies lors de l’enduction industrielle. Simultanément, ils ont mesuré la réponse électrique de la barbotine par EIS. Le montage expérimental reproduisait fidèlement les conditions de fabrication réelles, notamment une épaisseur d’enduction de 500 micromètres.
La barbotine était composée de LiFePO4 comme matériau actif, de noir d’acétylène comme additif conducteur et d’un liant polymère dissous dans un solvant. L’équipe a testé une gamme de taux de cisaillement de 1,3 à 200 s-1 pour simuler différentes vitesses d’enduction. Après les tests de cisaillement, les barbotines ont été séchées et converties en électrodes, puis analysées par microscopie et assemblées en cellules de batterie pour des tests de performance.
Leurs résultats ont montré un lien clair entre la façon dont la barbotine était traitée et les performances de la batterie. À mesure que le taux de cisaillement augmentait, la structure interne de la barbotine évoluait de manière non linéaire. À des taux de cisaillement faibles d’environ 1,3 s-1, les additifs conducteurs restaient agglomérés, entraînant une mauvaise connectivité électrique. À des taux de cisaillement très élevés allant jusqu’à 200 s-1, le réseau conducteur devenait trop fragmenté, réduisant les performances. Cependant, à un taux de cisaillement intermédiaire d’environ 50 s-1, les additifs étaient uniformément répartis tout en maintenant des connexions solides, créant un réseau conducteur optimal.
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Les électrodes fabriquées dans ces conditions présentaient une résistance plus faible, des performances de charge-décharge améliorées et une meilleure stabilité cyclique. Cela démontre qu’il existe un « point idéal » optimal dans les conditions de traitement qui équilibre la rupture des amas de particules avec le maintien des voies électriques. Bien que ces résultats soulignent le potentiel de la méthode pour améliorer les performances des électrodes, une validation supplémentaire sur différents systèmes de matériaux et conceptions de cellules sera nécessaire pour confirmer sa pertinence plus large.
« Cette méthode peut identifier des conditions d’enduction prometteuses en utilisant moins d’un millilitre de barbotine, chaque mesure étant réalisée en environ cinq minutes », ajoute le Dr Shitanda.
La méthode offre plusieurs avantages : premièrement, elle remplace les approches par essais-erreurs par des mesures directes pour identifier les conditions optimales de traitement de la barbotine. Deuxièmement, elle permet de prédire la structure de l’électrode et les performances de la batterie directement à partir de l’état de la barbotine lors de l’enduction. Cela pourrait accélérer le développement des batteries, réduire les déchets et améliorer l’efficacité globale de la fabrication alors que la demande de batteries lithium-ion continue de croître.
Les résultats ont été mis en ligne le 30 avril 2026 et seront publiés dans le Volume 679 du Journal of Power Sources le 1er juillet 2026. L’étude a été dirigée par le professeur associé Isao Shitanda du Département de chimie pure et appliquée, Faculté des sciences et technologies, Université des Sciences de Tokyo. L’équipe de recherche comprenait Taiyoh Sekiguchi, étudiant en première année de master ; Hiroyuki Ueda de l’Université Deakin, Australie ; et Yoshifumi Yamagata et Keisuke Miyamoto d’Anton Paar Japon.
Article : Rheo-impedance spectroscopy for correlating slurry properties with LiFePO4 cathode performance in lithium-ion batteries – Journal : Journal of Power Sources – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Tokyo U.
