Une électrode de batterie innovante en mousse d’étain

Dans les batteries lithium-ion, les électrodes à base de métaux promettent des capacités nettement supérieures à celles des électrodes conventionnelles en graphite. Malheureusement, elles se dégradent sous l’effet des contraintes mécaniques pendant les cycles de charge et de décharge. Une équipe de l’HZB vient de montrer qu’une mousse d’étain très poreuse absorbe beaucoup mieux les contraintes mécaniques pendant les cycles de charge. Cela fait de la mousse d’étain un matériau intéressant pour les batteries au lithium.

Les batteries lithium-ion modernes sont généralement basées sur une électrode multicouche en graphite, la contre-électrode étant souvent constituée d’oxyde de cobalt. Pendant la charge et la décharge, les ions lithium migrent dans le graphite sans provoquer de changements de volume importants dans le matériau.

Cependant, la capacité du graphite est limitée, ce qui fait de la recherche de matériaux alternatifs un domaine de recherche passionnant. Les électrodes à base de métal, comme l’aluminium ou l’étain, ont le potentiel d’offrir une capacité plus élevée. Elles ont tendance à augmenter considérablement de volume lorsque le lithium est absorbé, ce qui est associé à des changements structurels et à une fatigue des matériaux. L’étain est particulièrement intéressant parce que sa capacité par kilogramme est presque trois fois supérieure à celle du graphite, et qu’il ne s’agit pas d’une matière première rare, mais d’une matière première disponible en abondance. Une option pour réaliser des électrodes métalliques qui « s’usent » moins rapidement consiste à nanostructurer les feuilles métalliques minces. Une autre option consiste à utiliser des mousses métalliques poreuses.

Une équipe du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) a étudié différents types d’électrodes en étain pendant le processus de décharge et de charge à l’aide de l’imagerie par rayons X operando, et a mis au point une approche innovante pour résoudre ce problème. Une partie des expériences a été réalisée à la BAMline de BESSY II.

« Les images radioscopiques à haute résolution ont été prises en collaboration avec les experts en imagerie Nikolai Kardjilov et André Hilger à HZB. Cela nous a permis de suivre les changements structurels dans les électrodes à base de métal Sn étudiées au cours des processus de charge/décharge« , indique le Dr Bouchra Bouabadi, premier auteur de l’étude. Avec le Dr Sebastian Risse, expert en batteries, elle a étudié la façon dont la morphologie des électrodes d’étain se modifie en cours de fonctionnement en raison de l’absorption inhomogène des ions lithium.

Le Dr Francisco Garcia-Moreno a produit la meilleure version de l’électrode d’étain : une mousse d’étain avec d’innombrables pores de la taille d’un micromètre. Nous avons pu montrer que la contrainte mécanique dans une telle mousse d’étain lors de l’expansion du volume est considérablement réduite », explique le Dr Risse. Cela fait des mousses d’étain un matériau intéressant pour les batteries au lithium.

M. Garcia-Moreno a déjà étudié de nombreuses mousses métalliques, notamment celles utilisées pour les composants dans l’industrie automobile et les mousses d’aluminium pour les électrodes de batteries. « Les mousses d’étain que nous avons développées à l’université technique de Berlin sont très poreuses et constituent une alternative prometteuse aux matériaux d’électrodes traditionnels« , explique-t-il.

La structuration des mousses d’étain est essentielle pour réduire autant que possible les contraintes mécaniques. La technologie de la mousse d’étain pourrait également être intéressante d’un point de vue économique : Bien que la mousse d’étain soit plus chère que la feuille d’étain conventionnelle, elle offre une alternative moins onéreuse à la nanostructuration, tout en étant capable de stocker beaucoup plus d’ions lithium, ce qui permet d’augmenter la capacité.

Légende illustration : L’étain peut être transformé en une mousse très poreuse. Une équipe interdisciplinaire du HZB a étudié le comportement de cette mousse d’étain (illustrée) en tant qu’électrode de batterie. © B. Bouabadi / HZB

Article : « Morphological Evolution of Sn-Metal-Based Anodes for Lithium-Ion Batteries Using Operando X-Ray Imaging » – DOI : 10.1002/advs.202414892