Des composants de batterie invisibles enfin visualisés grâce à une technique pionnière

Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont développé une nouvelle méthode puissante pour visualiser un composant essentiel des électrodes des batteries lithium-ion qui était extrêmement difficile à tracer auparavant. Cette découverte, publiée le 17 février dans Nature Communications, pourrait conduire à une efficacité de fabrication accrue des électrodes de batterie et finalement aider à améliorer la vitesse de charge et la durée de vie des batteries Li-ion.

L’étude s’est concentrée sur les liants polymères modernes utilisés dans les électrodes négatives (anodes) des batteries lithium-ion. Ces liants jouent un rôle critique dans la cohésion des électrodes de batterie, affectant leur stabilité mécanique, leur conductivité électrique et ionique, et leur durée de vie en cycle. Cependant, parce qu’ils constituent moins de 5 % du poids de l’électrode et manquent de caractéristiques distinctes, leur répartition dans les anodes était quasiment impossible à imager ou à contrôler. Cela a entravé les efforts pour améliorer les performances des batteries, car l’emplacement du liant influence directement la conductivité, la stabilité et la durabilité à long terme de l’électrode.

Pour remédier à cela, les chercheurs ont développé une nouvelle technique de coloration, en instance de brevet, qui utilise des traceurs d’argent et de brome pour marquer les liants commerciaux dérivés de cellulose et de latex dans les anodes à base de graphite et de silicium. Ces marqueurs rendent les liants visibles en produisant des rayons X caractéristiques (mesurés par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie) ou en réfléchissant des électrons de haute énergie depuis la surface de l’échantillon (mesurés par imagerie d’électrons rétrodiffusés sélectionnés en énergie). Lorsqu’elles sont détectées à l’aide d’un microscope électronique, ces méthodes fournissent des informations précises sur la répartition des éléments et la topographie de surface.

L’auteur principal le Dr Stanislaw Zankowski (Département des Matériaux, Université d’Oxford) a déclaré : « Cette technique de coloration ouvre une toute nouvelle boîte à outils pour comprendre comment les liants modernes se comportent lors de la fabrication des électrodes. Pour la première fois, nous pouvons voir avec précision la répartition de ces liants non seulement de manière générale (c’est-à-dire leur épaisseur dans l’ensemble de l’électrode), mais aussi localement, comme des couches et des amas de liant à l’échelle nanométrique, et les corréler avec la performance de l’anode. »

Fait important, la méthode d’imagerie fonctionne non seulement sur les électrodes à base de graphite, mais aussi sur des matériaux plus avancés comme le silicium ou le SiOx, la rendant applicable aux conceptions de batteries de nouvelle génération.

En utilisant cette méthode, l’équipe a constaté que de petites variations dans la répartition des liants pouvaient affecter de manière spectaculaire l’efficacité de charge d’une batterie et sa durée de vie. Par exemple, en ajustant les protocoles de mélange et de séchage de la pâte, les chercheurs ont réduit la résistance ionique interne des électrodes testées jusqu’à 40 %, un goulot d’étranglement clé pour la charge rapide.

L’étude a également capturé d’élusives couches nanoscopiques de liant de carboxyméthylcellulose (CMC) qui recouvrent les surfaces des particules de graphite. L’imagerie a permis une détection sans précédent de couches de CMC de 10 nm d’épaisseur, résolvant des tailles de caractéristiques sur quatre ordres de grandeur dans des images uniques. Cela a révélé comment les fines couches de CMC se fragmentent, d’un revêtement initialement complet, en plaques brisées et inhomogènes pendant le traitement de l’électrode, ce qui pourrait nuire aux performances et à la stabilité de la batterie.

Le co-auteur le professeur Patrick Grant (Département des Matériaux, Université d’Oxford) a souligné : « Cet effort multidisciplinaire – alliant chimie, microscopie électronique, tests électrochimiques et modélisation – a abouti à une approche d’imagerie innovante qui nous aidera à comprendre les processus de surface clés qui affectent la longévité et les performances des batteries. Cela fera avancer les progrès dans un large éventail d’applications de batteries. »

La recherche, financée par le projet Nextrode de la Faraday Institution, a déjà suscité un fort intérêt industriel, y compris de la part de grands fabricants de batteries et de véhicules électriques.

Article : Chemical staining for fundamental studies and optimization of binders in Li-ion battery negative electrodes – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude

Source : Oxford U.