Optimisation de liants à base d’acide polyacrylique pour électrodes silicium-graphite de batteries Li-ion
Résumé :
Les anodes riches en silicium offrent une voie prometteuse pour accroître la densité énergétique des batteries lithium-ion, mais leur mise en œuvre demeure difficile en raison des importantes variations de volume du silicium au cours des cycles, qui favorisent la dégradation mécanique et la formation continue de l’interphase électrolyte solide (SEI). L’acide polyacrylique (PAA) est un liant largement étudié pour les électrodes à base de silicium en raison de ses fortes interactions avec la surface d’oxyde de silicium natif, lesquelles renforcent la cohésion de l’électrode et peuvent contribuer à la formation d’une couche de passivation artificielle. Cette thèse étudie les relations entre les caractéristiques du liant PAA, le procédé de fabrication des électrodes, leur structure, leurs propriétés interfaciales et les performances électrochimiques des anodes composites silicium-graphite.
Les principaux paramètres de formulation du PAA ont été étudiés systématiquement, notamment la teneur en liant, la masse moléculaire, le degré de neutralisation et la nature du contre-ion associé à la fonction carboxylate. L’augmentation de la teneur en PAA a amélioré la stabilité de la suspension et la mise en œuvre des électrodes jusqu’à un taux optimal de couverture en liant, au-delà duquel l’agglomération du polymère a accru la résistivité de l’électrode et réduit les performances électrochimiques. La masse moléculaire du liant et la fraction massique de solides de la suspension ont montré des effets couplés sur la dispersion des matériaux actifs, la rétention d’eau, la cohésion de l’électrode et la formation de la SEI. Bien que différentes masses moléculaires aient procuré des avantages distincts sur le plan de la mise en œuvre et des propriétés mécaniques, des performances électrochimiques comparables ont pu être obtenues en optimisant adéquatement la fraction solide de l’encre.
Le degré de neutralisation du PAA s’est également révélé exercer une forte influence sur les propriétés des électrodes et les performances des cellules. Une neutralisation partielle à pH plus élevé a amélioré la mise en œuvre et les performances électrochimiques, tandis qu’un degré de neutralisation plus faible était associé à une dégradation accélérée dans des conditions pratiques de cellule. Enfin, l’identité du contre-ion a joué un rôle déterminant dans la mise en œuvre de la suspension. Bien que les cations divalents aient favorisé les interactions ioniques entre les chaînes de PAA, l’agrégation résultante du polymère a nui à la rhéologie de la suspension, aux propriétés de l’électrode et aux performances en cyclage. À l’inverse, les cations monovalents ont amélioré la mise en œuvre et les performances de la formulation étudiée, le Na+ favorisant la formation d’une SEI plus stable et riche en LiF.
Dans l’ensemble, ces travaux démontrent l’interaction complexe entre les différents paramètres étudiés et les avantages de leur optimisation collective pour améliorer les performances électrochimiques des anodes riches en silicium. L’efficacité du liant a été améliorée en optimisant la fraction massique de solides à 36 %, en augmentant le degré de neutralisation à 66 % et en utilisant le Na+ comme contre-ion. Cette combinaison a maximisé les performances électrochimiques tout en offrant une voie pratique vers la réduction de la masse inactive dans cette formulation d’électrode à haute densité énergétique. L’optimisation systématique de cette formulation met en évidence plusieurs stratégies permettant d’affiner la formulation du liant, constituant ainsi un pas vers la commercialisation des anodes riches en silicium.
Mots clés : batteries au lithium-ion; anodes en silicium; anodes silicium-graphite; acide polyacrylique; PAA; synthèse aqueuse; liant aqueux; neutralisation du liant; fraction solide de l’encre; interface solide-électrolyte
