Publié le 20 février 2024. Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont mis au point une technique d’imagerie inédite permettant de visualiser avec une précision sans précédent les composants internes des batteries lithium-ion, ouvrant la voie à des améliorations significatives en termes de vitesse de charge et de durée de vie.
- Une nouvelle méthode de coloration révèle la distribution des liants polymères au sein des électrodes, jusqu’à l’échelle nanométrique.
- Cette technique permet d’identifier des défauts de fabrication qui affectent les performances des batteries.
- Les premiers tests montrent qu’une optimisation de la distribution des liants peut réduire la résistance interne des électrodes jusqu’à 40 %.
La performance des batteries lithium-ion, omniprésentes dans les appareils électroniques portables et les véhicules électriques, dépend en grande partie des matériaux qui composent leurs électrodes. Parmi ces matériaux, les liants polymères jouent un rôle crucial, agissant comme une colle qui maintient l’ensemble cohérent. Bien que représentant seulement une faible proportion du poids total de l’électrode (moins de 5 %), ces liants influencent considérablement sa résistance mécanique, sa conductivité électrique et ionique, ainsi que sa longévité.
Jusqu’à présent, l’étude de la répartition de ces liants à l’intérieur des électrodes s’est avérée particulièrement difficile en raison de leur faible quantité et de leur manque de contraste visuel. Cette limitation entravait les efforts visant à optimiser les performances des batteries, car la manière dont les liants sont distribués a un impact direct sur la conductivité, la stabilité structurelle et la durabilité à long terme.
Pour surmonter cet obstacle, l’équipe de l’Université d’Oxford a développé une technique de coloration innovante, actuellement en cours de brevetage. Cette approche consiste à fixer des marqueurs à base d’argent et de brome aux liants polymères, qu’il s’agisse de cellulose ou de latex, utilisés dans les anodes à base de graphite et de silicium. Une fois marqués, ces liants deviennent détectables grâce à leur émission de rayons X (mesurée par spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie) ou à leur réflexion d’électrons de haute énergie (mesurée par imagerie électronique rétrodiffusée sélective en énergie).
L’analyse des signaux obtenus par microscopie électronique permet de cartographier avec une grande précision la localisation des éléments spécifiques et l’apparence de la surface de l’électrode. Cette méthode offre aux scientifiques une capacité d’analyse de la distribution des liants bien supérieure à celle des techniques existantes.
« Cette technique de coloration ouvre une toute nouvelle boîte à outils pour comprendre comment les liants modernes se comportent lors de la fabrication des électrodes. Pour la première fois, nous pouvons voir avec précision la distribution de ces liants non seulement de manière générale, mais aussi localement, sous forme de couches et d’amas de liants à l’échelle nanométrique, et les corréler avec les performances de l’anode. »
Dr Stanislaw Zankowski, Département des matériaux, Université d’Oxford
La méthode est compatible avec les électrodes à graphite traditionnelles, mais également avec les matériaux de nouvelle génération tels que le silicium ou le SiOx, ce qui la rend pertinente pour l’amélioration des batteries lithium-ion actuelles et le développement de futures technologies.
En utilisant ce nouvel outil d’imagerie, les chercheurs ont constaté que même de légères variations dans la distribution des liants peuvent avoir un impact significatif sur l’efficacité de la charge et la durée de vie de la batterie. Lors de tests, des ajustements apportés aux étapes de mélange et de séchage de la boue ont permis de réduire la résistance ionique interne des électrodes expérimentales jusqu’à 40 %, un facteur limitant majeur pour une charge rapide.
L’équipe a également obtenu des images détaillées de couches extrêmement fines de carboxyméthylcellulose (CMC), un liant courant, recouvrant les particules de graphite. La technique a permis de détecter des couches de CMC d’à peine 10 nanomètres d’épaisseur et de visualiser des structures s’étendant sur quatre ordres de grandeur au sein d’une seule image. Ces images ont révélé qu’un revêtement de CMC initialement uniforme peut se fragmenter en morceaux irréguliers et inégaux pendant le processus de fabrication de l’électrode, ce qui peut compromettre les performances et la stabilité de la batterie.
« Cet effort multidisciplinaire, combinant chimie, microscopie électronique, tests électrochimiques et modélisation, a abouti à une approche d’imagerie innovante qui nous aidera à comprendre les processus de surface clés qui affectent la longévité et les performances des batteries. »
Professeur Patrick Grant, Département des matériaux de l’Université d’Oxford
Ce travail, soutenu par le projet Nextrode de l’Institution Faraday, suscite déjà un vif intérêt de la part de l’industrie, notamment de la part des principaux fabricants de batteries et des constructeurs automobiles spécialisés dans les véhicules électriques.