Les électrodes de batterie plus épaisses contiennent davantage de matériaux actifs, ce qui promet une densité énergétique plus élevée. Cependant, en ce qui concerne les performances des batteries lithium-ion, les propriétés thermodynamiques des matériaux des électrodes sont plus importantes que leur conception structurelle.
Une équipe de chercheurs de l’université Rice, dirigée par le scientifique Ming Tang, a démontré que même si les matériaux utilisés dans les électrodes épaisses de batterie ont des structures presque identiques, leur chimie interne a un impact différent sur le flux d’énergie et, par conséquent, sur les performances. Cette découverte va à l’encontre des idées reçues dans ce domaine, selon lesquelles la création de canaux poreux dans le matériau des électrodes à l’aide de différentes techniques de structuration pourrait atténuer le manque d’uniformité des réactions.
« Les électrodes de batterie « épaisses » stockent plus d’énergie, ce qui est idéal pour prolonger la durée de vie des téléphones ou la charge des voitures électriques, mais elles ont du mal à se charger et à se décharger rapidement en raison de leur capacité utile limitée », indique Zeyuan Li, ancien doctorant de Rice et premier auteur de l’étude. « Imaginez que vous essayez de remplir uniformément une éponge épaisse avec de l’eau, mais que l’eau ne s’écoule que dans une partie de l’éponge, laissant le reste sec : c’est le problème des électrodes épaisses ».
Selon une étude publiée dans Advanced Materials, les chercheurs ont comparé deux matériaux courants utilisés pour les électrodes des batteries lithium-ion : le phosphate de fer lithié (LFP) et un mélange d’oxyde de nickel, de manganèse et de cobalt connu sous le nom de NMC. Ils ont montré que ce dernier est plus performant malgré des caractéristiques structurelles similaires.
« Nous avons constaté que les électrodes LFP se dégradaient plus rapidement que les NMC lorsqu’elles étaient testées dans des conditions de cycle identiques, avec davantage de fissures internes et de perte de capacité en raison d’un flux de lithium déséquilibré », a ajouté Li, qui travaille désormais comme assistant de recherche au sein du groupe Mesoscale Materials Science dirigé par Tang. « Si le flux inégal ne concernait que les dimensions et la disposition des canaux poreux, les électrodes devraient se comporter de manière similaire. »
À l’aide d’une imagerie à rayons X haute résolution au Brookhaven National Laboratory, les chercheurs ont suivi le trajet des ions lithium à l’intérieur de chaque électrode pendant leur utilisation. Les électrodes LFP ont montré des « points chauds » de forte réaction près de la surface faisant face au séparateur (la membrane perméable entre la cathode et l’anode d’une batterie), tandis que les régions plus profondes restaient largement inactives. Cette inégalité persistait même après la mise au repos de la batterie. En revanche, les électrodes NMC présentaient des profils de réaction beaucoup plus équilibrés.
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« Nous avons découvert que les propriétés thermodynamiques du matériau déterminent la façon dont la réaction se propage », a déclaré Ming Tang, professeur associé en science des matériaux et nano-ingénierie à Rice et auteur correspondant de l’étude. « Cela nous donne un nouvel aperçu de la conception des batteries et, espérons-le, contribuera à améliorer l’efficacité des électrodes de batterie épaisses. »
Ces résultats ont incité l’équipe à développer un nouvel indicateur appelé « indice d’uniformité de la réaction » afin d’aider les ingénieurs à évaluer les performances d’un matériau de batterie dans des électrodes épaisses. Cet indice prend en compte les facteurs structurels et thermodynamiques qui influencent le comportement de la réaction.
« Les batteries qui s’usent de manière inégale meurent plus rapidement et gaspillent une précieuse capacité de stockage », conclut Ming Tang, qui est également membre de l’Institut des matériaux avancés de Rice. « Cette découverte fournit aux ingénieurs de nouvelles indications pour choisir la bonne combinaison en termes de matériau, de microstructure, de géométrie, etc., afin d’améliorer les performances des électrodes épaisses. »
Article : « Probing the Effect of Electrode Thermodynamics on Reaction Heterogeneity in Thick Battery Electrodes » – DOI : 10.1002/adma.202502299
Auteurs : Zeyuan Li, Fan Wang, Yuan Gao, Hongxuan Wang, Zhaoshun Wang, Yang Yang, Qing Ai, Mingyuan Ge, Yangtao Liu, Matthew Meyer, Tanguy Terlier, Xianghui Xiao, Wah-Keat Lee, Yan Wang, Jun Lou, Andrew Kiss, Harsh Agarwal, Ryan Stephens and Ming Tang
