Un nouveau matériau d’anode de batterie haute performance pour une charge rapide et une longue durée de vie

Alors que les véhicules électriques (VE) et les smartphones exigent de plus en plus souvent une recharge rapide, les inquiétudes concernant la réduction de la durée de vie des batteries se sont accrues. Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs coréens a mis au point un nouveau matériau d’anode qui conserve des performances élevées même en cas de recharges rapides fréquentes.

Une collaboration entre le professeur Seok Ju Kang de la faculté d’ingénierie énergétique et chimique de l’UNIST, le professeur Sang Kyu Kwak de l’université de Corée et le Dr Seokhoon Ahn de l’Institut coréen des sciences et technologies (KIST) a abouti à la création d’une anode hybride composée de graphite et de nanomatériaux organiques. Ce matériau innovant empêche efficacement la perte de capacité lors de cycles de recharge rapide répétés, promettant des batteries plus durables pour diverses applications.

Pendant la charge de la batterie, les ions lithium (Li-ions) se déplacent vers le matériau de l’anode, où ils stockent l’énergie sous forme d’atomes de lithium. Dans des conditions de charge rapide, l’excès de lithium peut former ce que l’on appelle des dépôts de lithium morts à la surface, qui ne peuvent pas être réutilisés. Cette accumulation réduit la capacité et accélère la dégradation de la batterie.

L’équipe de recherche a conçu une solution structurelle à ce problème. Leur anode hybride comprend des particules de graphite utilisées dans le commerce (microbilles de mésocarbone, MCMB) uniformément intégrées dans des nanofeuilles courbées et incurvées d’hexabenzocoronène chloré (Cl-cHBC). Les nanofeuilles incurvées uniques créent des espaces intercouches plus grands et des canaux à l’échelle nanométrique, permettant aux Li-ions de passer plus rapidement et plus efficacement.

Lorsqu’ils sont mélangés à parts égales, ces deux matériaux facilitent un processus d’insertion séquentielle des ions lithium, dans lequel les ions pénètrent d’abord dans les nanofeuilles, puis se déplacent vers le graphite. Cette insertion par étapes empêche la formation de lithium mort, permettant une charge rapide sans perte de capacité, comme l’ont confirmé des simulations théoriques.

Des tests expérimentaux ont démontré que cette anode hybride offre une capacité plus de quatre fois supérieure à celle du graphite conventionnel dans des conditions de charge à haut débit (4 A/g). Le processus d’insertion par étapes permet un stockage plus élevé du lithium et une meilleure stabilité du cycle.

Des tests sur des cellules complètes ont associé l’anode hybride à une cathode haute performance (NCM811), où elle a conservé 70 % de sa capacité initiale après plus de 1 000 cycles de charge-décharge. Une fois assemblée dans des cellules souples, l’anode hybride a démontré un fonctionnement stable sur plus de 2 100 cycles avec un rendement coulombique de 99 %, démontrant ainsi son potentiel pour des applications concrètes.

Les chercheurs soulignent que ce processus de fabrication simple et évolutif est compatible avec les infrastructures existantes de fabrication de batteries. De plus, l’exploitation de la polyvalence chimique des nanofeuilles courbes ouvre la voie au développement de batteries sodium-ion et d’autres systèmes de stockage d’énergie.

L’équipe souligne que le mécanisme d’insertion séquentielle des ions lithium découvert dans cette étude offre un principe de conception prometteur pour les batteries de nouvelle génération qui nécessitent à la fois une charge rapide et une stabilité à long terme.

Cette recherche révolutionnaire a été publiée en ligne dans Advanced Functional Materials le 10 septembre 2025. Elle a été soutenue par la Fondation nationale pour la recherche (NRF) de Corée, l’UNIST et le KIST.

Source : Unist