La recherche de solutions pour améliorer l’efficacité des batteries lithium-ion est devenue une priorité pour un grand nombre de centre de recherche. Une étude récente propose d’ailleurs une méthode innovante pour augmenter la performance de ces batteries afin d’atteindre un seuil d’autonomie critique pour une meilleure adoption du grand public.
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans le monde d’aujourd’hui. Toutefois, leur fonctionnement peut être entravé par un court-circuit interne causé par un contact direct entre la cathode et l’anode, les conducteurs qui complètent le circuit à l’intérieur d’une batterie.
Pour éviter ce type de dysfonctionnement, des séparateurs composés de polyoléfines, un type de polymère, peuvent être utilisés pour maintenir la séparation. Les séparateurs peuvent fondre à des températures plus élevées, et l’absorption insuffisante des électrolytes, essentiels pour transporter les charges entre les électrodes, peut entraîner des courts-circuits et une efficacité réduite.
Des méthodes existantes et leurs limites
Plusieurs méthodes ont été proposées pour résoudre ces problèmes. L’une d’elles consiste à appliquer des revêtements céramiques sur les séparateurs pour améliorer leur résistance à la pression et à la chaleur. Cette action augmente par contre l’épaisseur des séparateurs, réduisant de fait leur adhérence et nuire à la performance de la batterie.
Une autre technique consiste à utiliser des revêtements polymères, dans un processus connu sous le nom de polymérisation par greffage. Cela implique l’attachement d’unités individuelles (monomères) aux séparateurs pour leur donner les qualités désirées.
Une nouvelle approche prometteuse
Une étude récente démontre une polymérisation par greffage réussie sur un séparateur en polypropylène (PP), incorporant une couche uniforme de dioxyde de silicium (SiO2).
Les résultats de l’étude conjointe menée par une équipe de chercheurs, dont le professeur adjoint Jeongsik Yun du Département d’énergie et de génie chimique de l’Université nationale d’Incheon, ont été mis en ligne.
Le Dr Yun a été motivé par le besoin de matériaux de batterie haute performance dans les véhicules électriques pour atteindre des distances de conduite plus longues, un domaine sur lequel il travaille activement. Au-delà de l’amélioration de la performance des batteries, son objectif est d’apaiser les inquiétudes des consommateurs concernant les explosions de batteries, pouvant potentiellement influencer leur décision d’adopter les véhicules électriques.
Selon lui, « Les explosions de batteries sont souvent initiées par la fusion d’un séparateur. Le séparateur de batterie commercial est fait de polyoléfines, une classe de polymères qui sont vulnérables à la chaleur. Nous avons donc cherché à améliorer la stabilité thermique des séparateurs commerciaux en les revêtant de matériaux thermiquement robustes tels que les particules de SiO2. »
Les modifications apportées
Dans cette étude, un séparateur PP a été modifié de plusieurs façons. Initialement, il a été revêtu d’une couche de fluorure de polyvinylidène, un produit chimique choisi pour améliorer l’affinité des électrolytes et la stabilité thermique, tout en introduisant des sites de réaction de greffage.
Ensuite, le séparateur a subi un greffage avec des molécules de méthacrylate, suivi d’un revêtement final avec des particules de SiO2. Ces modifications ont rendu le séparateur plus résistant à la chaleur, ont supprimé la croissance des dendrites de lithium et ont aidé à améliorer la performance du cycle.
Des résultats prometteurs
De plus, les modifications ont non seulement préservé le stockage d’énergie des batteries Li-ion par unité de volume, mais ont également surpassé d’autres méthodes de revêtement en termes de performance cellulaire. Cette technique montre donc un potentiel pour la création de séparateurs robustes et l’avancement de l’utilisation des batteries lithium-ion dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie.
« Nous espérons que les résultats de cette étude peuvent permettre le développement de batteries lithium de haute sécurité. Nous pensons que la stabilité thermique de ces batteries bénéficiera grandement au domaine actuel des véhicules électriques sensibles au feu. À long terme, cela peut motiver les gens à choisir des véhicules électriques et dans les zones urbaines, réduire la souffrance des gens qui respirent l’air pollué généré par les moteurs à combustion interne, » envisage le Dr Yun.
Cette étude présente une méthode fiable pour créer un séparateur innovant et durable pour les batteries lithium-ion, ouvrant potentiellement la voie à un avenir plus vert.
Titre : « Ultra-thin SiO2 nanoparticle layered separators by a surface multi-functionalization strategy for Li-metal batteries: Highly enhanced Li-dendrite resistance and thermal properties » – DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103135
