Caractérisation de cathodes, anodes et séparateurs de batterie lithium-ion
*Image générée par IA ; représentation stylisée d’une cathode, d’un séparateur et d’une anode
Performances et composants des batteries lithium-ion
Les constructeurs réalisent de la recherche pour améliorer toujours plus les performances des batteries lithium-ion. Celles-ci résident grandement dans les caractéristiques des matériaux qui composent ces dernières et de leur lien avec les performances électriques du système complet.
Une batterie se compose de 3 composants principaux : une anode, une cathode et un séparateur.
L’étude de ces 3 composants guide donc les constructeurs dans le choix des matériaux pour optimiser les performances des batteries lithium-ion.
À savoir :
- La cathode et l’anode ont pour rôle de stocker et libérer les ions lithium, ce qui permet le flux d’électrons. Plus précisément, la cathode contient naturellement ces ions lithium. L’anode, elle, est conçue pour les capter et les relâcher lors de la décharge, générant ainsi l’énergie que nous utilisons. Chacune de ces deux électrodes est constituée d’un matériau actif, d’un liant et d’un collecteur de courant.
- Le séparateur, quant à lui, est une barrière poreuse qui empêche le contact direct entre la cathode et l’anode. Il prévient ainsi les courts-circuits tout en permettant le passage des ions lithium.
Expertise analytique des matériaux constitutifs d’une batterie
Dans le cadre de l’accompagnement à la R&D et prestation analytique pour nos clients, notre laboratoire Analyses et Surface a étudié toutes les caractéristiques des matériaux (composition, morphologie, dimensionnement des éléments, etc.).
Le laboratoire a utilisé le MEB-EDX et la DRX pour caractériser les matériaux actifs. Nous avons utilisé l’IRTF et la DSC pour l’analyse du liant. De même, nous avons utilisé l’ATG pour obtenir les proportions d’éléments (matériau actif, liant, noir de carbone) au sein de la cathode et de l’anode.
Enfin, la granulométrie laser couple à une observation au MEB-FEG nous a permis de caractériser la taille et la morphologie des grains de matériaux actifs. La morphologie des grains possède une grande importance sur les performances de la batterie, par exemple, des grains à l’aspect homogènes aurons de moins bonnes capacités mais une meilleure résistance cyclique charge/décharge, contrairement aux particules secondaires qui sont constitués d’agglomérats de pleins de petits grains et sont donc plus fragiles.
Analyse des cathodes et anodes
Analyse des matériaux actifs
Dans un premier temps, notre laboratoire a réalisé l’analyse élémentaire des matériaux actifs contenus dans les électrodes par MEB-EDX. En effet, l’utilisation d’un certain type de matériaux actifs va impacter les performances de la batterie.
Les cathodes utilisent majoritairement le NMC et le LFP comme matériaux actifs. L’emploi du LCO est en déclin à cause de sa forte concentration en cobalt. En revanche, le NCA attire l’attention : il contient peu de cobalt, mais sa sensibilité thermique et son coût élevé pour une capacité acceptable freinent sa diffusion. C’est néanmoins un matériau qui gagne en popularité, et chaque option présente des caractéristiques uniques.
Par exemple, le NMC 532, davantage composée de cobalt, aura donc une meilleure stabilité thermique. Tandis que le NMC 811, contenant beaucoup de nickel, aura de meilleures capacités mais une moins bonne résistance à la chaleur.
Par ailleurs, aujourd’hui, les matériaux actifs composant l’anode sont 98% du graphite (6 atomes de carbone pour 1 ion lithium). Cependant, l’épuisement des mines et la pollution engendrée lors de l’extraction ou de la production de graphite synthétique poussent les fabricants à chercher de nouveaux matériaux. Bien que le titanate de lithium ait une capacité faible, le silicium est particulièrement prometteur : ce dernier peut en effet intercaler les atomes de lithium avec une capacité 10 fois supérieure à celle du graphite. Le principal enjeu avec le silicium est sa dégradation rapide et importante, une problématique potentiellement résolue en l’associant à du graphite.
Analyse du liant
Par ailleurs, notre laboratoire Analyses et Surface a également analysé le liant extrait des électrodes après plusieurs réactions chimiques. Nous avons ainsi analysé différents polymères de liant comme le SBR et le CMC dans l’anode dont il faut doser judicieusement leurs proportions afin de tirer parti des meilleures caractéristiques.
Épaisseur des électrodes
Nous avons également mesuré l’épaisseur des électrodes (cathodes et anodes). Il est important de noter qu’une électrode épaisse offre une meilleure capacité, garantissant une plus longue autonomie à la batterie. En revanche, une électrode fine permet une résistance thermique et cyclique accrue, idéal pour les appareils nécessitant des charges fréquentes.
Analyse du séparateur
Plusieurs morphologies de séparateurs existent, soit usinés à sec soit par procédé humide. Notre laboratoire a donc étudié la topologie de surface afin de déterminer le type d’usinage pouvant impacter les caractéristiques de la batterie.
Par ailleurs, Analyses et Surface a caractérisé le matériau du séparateur en polymère type polypropylène et/ou polyéthylène. Le second, plus souple, est souvent complété d’un revêtement céramique pour empêcher le séparateur de se rétracter lors d’une montée en température ce qui entraînerait contact entre l’anode et la cathode et produirait un emballement thermique. Nous avons également procédé à la caractérisation de ce revêtement.
Grâce à ces données sur les matériaux, le fabricant de batteries peut faire des choix plus éclairés pour optimiser les performances.
Cela lui permet également d’orienter le développement vers de nouveaux matériaux plus durables, comme des matériaux actifs sans cobalt ni nickel de type LFP.
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