Une avancée majeure dans les batteries EV à électrodes sèches

Paul Dailing

En raison de coûts réduits, d’une facilité de production et d’avantages environnementaux, les fabricants de batteries et de véhicules électriques recherchent depuis longtemps des procédés secs pour la fabrication des électrodes. Une nouvelle architecture d’électrode traitée à sec, mise au point par la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago (UChicago PME), démontre un quatrième avantage : de meilleures performances.

« Les préoccupations économiques, environnementales et sociétales étaient ce qui poussait la technologie des électrodes sèches vers l’avant, » a déclaré le professeur associé de recherche à l’UChicago PME, Minghao Zhang, premier auteur du nouvel article. « Notre travail montre que, non seulement la méthode sèche offre ces avantages, mais elle améliore également les performances de la batterie elle-même. La batterie est plus robuste, elle peut intégrer une électrode plus épaisse avec une meilleure conductivité, et elle présente un meilleur cyclage à haute tension, ce qui est tout à fait surprenant. »

Une électrode désigne les deux extrémités de la batterie, à la fois l’anode où le courant entre et la cathode où il sort. Traditionnellement, tous les matériaux et produits chimiques qui composent une électrode sont mélangés dans une suspension (slurry), enduits sur un collecteur de courant en feuille puis séchés à l’aide de solvants toxiques. 

Idéalement, ce mélange humide crée un matériau uniforme, mais le processus est coûteux, nocif et moins efficace avec l’augmentation de l’épaisseur de l’électrode.

« L’électrode sèche est la nouvelle génération, la technologie de pointe dans les batteries lithium-ion, » explique Zhang. « Fabriquer des électrodes par le soi-disant « procédé par slurry » est non seulement compliqué, mais aussi très préoccupant pour l’environnement. C’est pourquoi toutes les grandes entreprises du secteur essaient de remplacer la méthode par slurry par une méthode entièrement sèche. »

Ce travail, qui a également impliqué des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, de l’Université de Picardie Jules Verne et de Thermo Fisher Scientific, a été dirigé par le Laboratoire pour le stockage et la conversion de l’énergie du professeur Shirley Meng (Liew Family Professor) de l’UChicago PME.

« Non seulement cette recherche nous rapproche de batteries EV puissantes, à charge rapide et à haut rendement, mais elle fait avancer la science fondamentale, » a affirmé Meng, auteure correspondante principale du nouveau travail. « Elle montre comment les matériaux inactifs au sein de l’électrode, que l’on pensait auparavant fonctionner indépendamment les uns des autres, créent en réalité un effet synergique qui fait de cette batterie non seulement une source d’énergie puissante, mais aussi stable, à la fois structurellement et chimiquement. »

Un couplage unique découvert

Toute électrode, qu’elle soit fabriquée par un procédé par slurry ou à sec, comporte trois composants. Les matériaux actifs fournissent la densité d’énergie des électrodes. L’additif conducteur – généralement à base de carbone – assure la conductivité des électrodes. Et les liants procurent la résistance mécanique des électrodes, en maintenant l’ensemble cohérent. 

« Traditionnellement, on pense que le carbone et les matériaux liants jouent leurs rôles indépendamment, » souligne Zhang. « Nous avons constaté que dans le procédé à sec, il existe un effet synergique entre le liant et l’additif carboné. En raison de cette interaction chimique unique, le réseau conducteur est bien mieux connecté dans le procédé à sec par rapport au procédé par slurry. »

Ce couplage unique entre le carbone et le liant aide également la batterie à cycler à haute tension, évitant de nombreuses réactions secondaires observées dans les batteries fabriquées par slurry à ces niveaux.

« Ce que nous avons découvert, c’est que les réactions secondaires à haute tension trouvent leur origine dans l’additif carboné, car ce composant est très réactif. Mais en raison de cet effet synergique, le liant – qui n’est pas du tout réactif – recouvre ou partiellement recouvre la surface du carbone, réduisant ainsi la réactivité du carbone et les réactions secondaires à haute tension. Ainsi, la batterie peut cycler très bien à haute tension avec des réactions secondaires minimales. »

Le résultat a été à la fois surprenant et potentiellement transformateur.

« Les électrodes sèches peuvent simplifier le processus, mais nous n’avions jamais imaginé avant ce travail qu’elles contribuaient aussi de manière unique à la stabilité du cyclage à haute tension, » a déclaré Zhang. « Cela contribuera également à l’amélioration future de la densité énergétique des batteries. »

L’équipe espère ensuite optimiser davantage les microstructures de l’électrode, afin que l’ion lithium à l’intérieur de l’électrode puisse conduire – et la charge de la VE – encore plus rapidement.

« Nous essayons de rapprocher le temps de charge de celui de l’essence, » a ajouté Zhang. 

La partie du travail réalisée à l’UChicago a été financée par le Réseau pour la Transition Énergétique de l’Université de Chicago (ETN), un consortium industrie/académie qui fait partie de l’Institut pour la Croissance Durable et le Climat de l’université.

« L’industrie et le monde académique doivent travailler ensemble pour faire avancer ces solutions climatiques vitales, » a déclaré Meng, qui est également co-directrice de l’ETN. « Les meilleures batteries du monde ne peuvent pas rester des curiosités de laboratoire. Nous avons besoin de nos partenaires industriels pour mettre ces technologies puissantes entre les mains de ceux qui en ont besoin. »

Article : Dry electrode architecture design to push energy density limits at the cell level – Journal : Nature Energy – DOI : Lien vers l’étude

Source : Chicago U.