Formulation et intégration de matériaux d’électrode
Bernard Lestriez, Nicolas Dupré, Philippe Moreau, Thomas Devic, Philippe Poizot, Joël Gaubicher, Patrick Soudan
Pour fonctionner correctement comme électrode, le matériau actif doit être formulé avec un liant polymère et un agent conducteur électronique. Ceux-ci doivent rester en quantité faible dans l'électrode afin de ne pas trop diminuer la densité d'énergie de la batterie. Cette thématique consiste donc à déterminer la combinaison d'additifs optimale pour atteindre les meilleures performances du matériau actif, et accroître les densités d’énergie volumiques et massiques des accumulateurs. Cet objectif technologique nécessite d’analyser l’influence de la composition et du procédé d’élaboration de l’électrode sur sa microstructure et ses propriétés, de comprendre l’ensemble des interactions entre les différents constituants de l’électrode, et requière une approche multidisciplinaire et multi-échelle avec le développement de techniques de caractérisations pointues, tant les électrodes sont des matériaux composites complexes.
Mots-clés : Polymère, Carbone, Rhéologie, Microstructure, Formulation
Expertises : Rhéologie, Electrochimie, Formulation, Techniques d’imagerie, Propriétés de transport
Collaborations : Eric Maire, laboratoire MATEIS, INSA de Lyon.
François Willot, Center for Mathematical Morphology, Mines Paristech, Fontainebleau, France.
Jean-Claude Badot, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie-Paristech, Paris.
Michaël Deschamps, CNRS-CEMHTI, Université d’Orléans.
Willy Porcher, LITEN, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Grenoble.
Références :
• The Concept of Effective Porosity in the Discharge Rate Performance of High-Density Positive Electrodes for Automotive Application
• Performance and ageing behavior of water-processed LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2/Graphite lithium-ion cells
• Aqueous Processing and Formulation of Indigo Carmine Positive Electrode for Lithium Organic Battery
La formulation d’électrodes
Pour optimiser les électrodes nous cherchons à mettre en relation très précisément la composition des électrodes, leurs conditions de mise en œuvre, la microstructure à toutes les échelles des électrodes et leurs propriétés de transport, et enfin leurs performances électrochimiques. Pour cela, nous étudions les propriétés rhéologiques des encres d’électrode et cherchons à les interpréter en analysant les interactions entre les différents constituants via des mesures d’adsorption, de potentiel zéta, et des tests de sédimentation. En collaboration avec E. Maire et F. Willot, nous employons les tomographies RX et FIB/SEM pour caractériser la microstructure et quantifier les paramètres importants (tortuosité, connectivités des différentes phases, …) et partant des microstructures numérisées nous développons des simulations numériques des propriétés électriques. En collaboration avec J-C. Badot, nous développons la spectroscopie diélectrique large bande pour la mesure des propriétés électriques aux différentes échelles de la microstructure des électrodes, dans les états sec et imprégnés d’électrolyte. Enfin nous développons des modèles analytiques simples d’interprétation des performances électrochimiques en puissance. Les données d’entrée de ces modèles sont les valeurs des propriétés de transport et les paramètres microstructuraux dominants.
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Développement de nouveaux procédés
L’augmentation de la densité d’énergie des batteries nécessite d’augmenter l’épaisseur des électrodes. Des difficultés sont rencontrées avec le procédé standard de formation de l’électrode par enduction du collecteur de courant : la migration du liant lors du séchage des enductions épaisses affaiblit l’adhésion avec le collecteur de courant et diminue la cyclabilité. Nos recherches portent sur le développement de nouveaux procédés permettant de dépasser ce problème. Le remplacement du solvant utilisé par le procédé standard, la N-méhyl pyrrolidone (NMP), par l’eau permettrait de diminuer l’impact environnemental et le coût de fabrication des batteries. Effectuer la fabrication dans l’eau soulève certains défis pour obtenir des électrodes avec des propriétés comparables à celles fabriquées avec la NMP, notamment parce que les matériaux actifs sont susceptibles de réagir avec l'eau, parce que les particules de matériaux actifs ou de carbone conducteur peuvent s’agréger et déstabiliser l’encre d’électrode, parce qu’il faut trouver de nouveaux liants aussi efficaces que le PVdF, etc. Nous avons développé des formulations aqueuses pour différents matériaux de positive inorganique (LiFePO4, LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2,) et organique (le Carmin d’indigo), et matériaux de négatives (Li4Ti5O12, Si, Si/Graphite).
Ces travaux ont souvent fait l’objet de collaboration avec W. Porcher du CEA-Liten.
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