Une équipe de recherche dirigée par l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) a mis au point un nanorevêtement biomimétique susceptible de prolonger considérablement la durée de vie des batteries utilisées dans les smartphones, les véhicules électriques (VE) et d’autres appareils électroniques.
Inspirée par la fonction d’amortissement des contraintes du cartilage humain, l’équipe a développé un nanorevêtement polymère innovant inspiré du cartilage qui supprime efficacement la dégradation et l’usure des matériaux de cathode des batteries à la source. La nouvelle technologie permet non seulement aux batteries de conserver une capacité exceptionnellement élevée après des milliers de cycles de charge-décharge, mais ouvre également une voie prometteuse vers le déploiement industriel des batteries lithium-ion riches en nickel de nouvelle génération.
Cette recherche est dirigée par le Prof. CHEN Guohua, professeur titulaire du Département de génie chimique et biologique (CBE) de la HKUST. L’équipe de recherche comprend le Dr LIU Qiang, diplômé du doctorat de la HKUST et professeur adjoint de recherche au CBE de la HKUST, ainsi que la Dre LIU Yutong, chercheuse postdoctorale au CBE de la HKUST, qui a mené une partie de ces travaux durant ses études doctorales à l’Université polytechnique de Hong Kong.
L’inspiration du cartilage humain ouvre une nouvelle approche pour les batteries à haute énergie
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les smartphones, les véhicules électriques et l’électronique grand public. Alors que la demande mondiale de batteries à haute énergie continue de croître, les cathodes lamellaires riches en nickel sont devenues un axe clé du développement futur des batteries. Toutefois, leur commercialisation est entravée par un problème connu sous le nom de « fissuration intergranulaire ». Pendant le processus de charge et de décharge, les ions lithium qui entrent et sortent de la cathode provoquent des variations de volume constantes. Avec le temps, cela génère de fortes contraintes internes dynamiques, entraînant des fissures et des dégradations des particules actives de la batterie, ce qui réduit la capacité de la batterie et raccourcit sa durée de service.
Pour surmonter ce défi, l’équipe de recherche s’est inspirée des articulations humaines. Dans le corps humain, le cartilage peut se déformer et dissiper les contraintes externes, protégeant les os fragiles de tout dommage. Reproduisant ce chef-d’œuvre biologique à l’échelle nanométrique, les chercheurs ont conçu un revêtement polymère réticulé à mémoire de forme, p(BA-V4D4). À l’aide d’une technique avancée en phase gazeuse appelée dépôt chimique en phase vapeur initié (iCVD), l’équipe a déposé une couche polymère ultramince (~14 nm) et très uniforme à la surface des particules primaires. La vapeur de monomère pénètre profondément dans les particules secondaires de l’électrode, recouvrant les frontières internes vulnérables entre les particules primaires et polymérisant in situ pour former une couche élastique d’absorption des contraintes semblable au cartilage des articulations humaines, afin de maintenir la stabilité dynamique pendant un cyclage prolongé de la batterie.
Le Dr Liu Qiang, co-auteur correspondant de l’étude, a déclaré : « En déployant un polymère à mémoire de forme comme dissipateur adaptatif des contraintes, nous pouvons supprimer la fissuration intergranulaire via un mécanisme de délocalisation solide des contraintes. Nous avons conçu la structure du polymère pour atteindre un équilibre optimal entre déformabilité et résistance. Pour intégrer de manière transparente ce nanorevêtement dans les joints de grains via des canaux nanométriques incroyablement étroits, larges de seulement 10 à 20 nanomètres et profonds de 4 000 nanomètres, nous avons utilisé la technologie CVD développée antérieurement dans notre laboratoire. Le copolymère optimisé se comporte comme du cartilage entre les particules adjacentes. »
La Dre Liu Yutong, co-première auteure de l’étude, a déclaré : « Les méthodes traditionnelles ne peuvent pas pénétrer les joints de grains des matériaux de cathode ni permettre aux chercheurs de régler facilement les propriétés mécaniques des polymères. Notre méthode iCVD transporte sans difficulté les réactifs dans ces joints pour former un revêtement protecteur par polymérisation in situ. Nous avons appliqué avec succès cette technologie aux matériaux NCM riches en nickel et au LiFePO4 commercial, démontrant son applicabilité universelle. »
Faire progresser les batteries à l’état solide et les futures applications industrielles
Revenant sur les étapes marquantes, le Pr Chen Guohua, également co-auteur correspondant de l’étude, a ajouté : « L’idée d’appliquer des revêtements polymères par CVD aux matériaux de stockage d’énergie a été lancée lors de mon congé sabbatique au MIT en 2005, où les polymères CVD ont été appliqués avec succès à des particules pharmaceutiques pour la libération contrôlée de médicaments. Nous sommes fiers d’être les premiers à appliquer avec succès cette technologie aux matériaux de batteries lithium-ion. Nous avons démontré que la CVD peut revêtir des polymères conducteurs (comme l’indique notre recherche publiée dans Nature Energy en 2019) et une gamme plus large de matériaux polymères fonctionnels, tels que ce p(BA-V4D4). »
Pour l’avenir, le Pr Chen a indiqué que l’équipe explore l’application de cette technologie aux batteries à l’état solide, où elle pourrait aider à relever des défis critiques liés à la fois à la densité d’énergie élevée et à la sécurité. L’équipe de recherche travaille également à la mise à l’échelle du procédé afin de produire des particules enrobées à l’échelle de 1 000 kg, en vue de fabriquer de grandes batteries destinées à des applications industrielles dans l’électronique grand public, les véhicules électriques et les aéronefs électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL).
Article : Dynamic delocalization of stress in brittle battery positive electrode active materials by shape-memory polymer nanocoating – Journal : Nature Nanotechnology – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : HKUST
