Quiconque possède un smartphone depuis plus d'un an sait très probablement que sa batterie lithium (Li)-ion intégrée ne conserve pas autant de charge que lorsque l'appareil était neuf. La dégradation des batteries Li-ion est un problème grave qui limite considérablement la durée de vie utile des appareils électroniques portables, provoquant indirectement d'énormes quantités de pollution et de pertes économiques. De plus, le fait que les batteries Li-ion ne soient pas très durables est un obstacle majeur pour le marché des véhicules électriques et de la récupération d'énergie renouvelable. Compte tenu de la gravité de ces problèmes, il n'est pas surprenant que les chercheurs cherchent activement des moyens d'améliorer les conceptions de pointe des batteries Li-ion.

L'une des principales causes de la baisse de capacité au fil du temps dans les batteries Li-ion est la dégradation des anodes en graphite largement utilisées, les bornes négatives des batteries. L'anode, avec la cathode (ou la borne positive) et l'électrolyte (ou le milieu qui transporte la charge entre deux bornes), fournir un environnement où les réactions électrochimiques pour la charge et la décharge de la batterie peuvent avoir lieu. Cependant, le graphite nécessite un liant pour éviter qu'il ne se désagrège à l'usage. Le liant le plus largement adopté aujourd'hui, poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), présente une série d'inconvénients qui le rendent loin d'être un matériau idéal.

Pour faire face à ces problèmes, une équipe de chercheurs du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) étudie un nouveau type de liant fabriqué à partir d'un copolymère bis-imino-acénaphtènequinone-paraphénylène (BP). Leur dernière étude, Publié dans ACS Matériaux énergétiques appliqués , était dirigé par le professeur Noriyoshi Matsumi et impliquait également le professeur Tatsuo Kaneko, Maître de conférences Rajashekar Badam, doctorat étudiant Agman Gupta, et ancien boursier postdoctoral Aniruddha Nag.

Donc, en quoi le copolymère BP surpasse-t-il le liant PVDF classique pour les anodes en graphite ? D'abord, le liant BP offre une stabilité mécanique et une adhérence à l'anode nettement meilleures. Cela provient en partie des interactions dites π–π entre les groupes bis-imino-acénaphtènequinone et le graphite, et aussi de la bonne adhérence des ligands du copolymère au collecteur de courant en cuivre de la batterie. Deuxièmement, non seulement le copolymère BP est beaucoup plus conducteur que le PVDF, il forme également une interface d'électrolyte solide conducteur plus mince avec moins de résistance. Troisièmement, le copolymère BP ne réagit pas facilement avec l'électrolyte, ce qui empêche aussi grandement sa dégradation.

Tous ces avantages combinés ont conduit à de sérieuses améliorations des performances, comme les chercheurs l'ont démontré par des mesures expérimentales. "Alors qu'une demi-cellule utilisant du PVDF comme liant n'a présenté que 65% de sa capacité d'origine après environ 500 cycles de charge-décharge, la demi-cellule utilisant le copolymère BP comme liant a montré une rétention de capacité de 95% après plus de 1700 tels cycles, " souligne le Pr Matsumi. Les demi-cellules à base de copolymère BP ont également montré une efficacité coulombienne très élevée et stable, une mesure qui compare la quantité de charge entrant et sortant de la cellule au cours d'un cycle donné ; cela indique également la durabilité à long terme de la batterie. Les images des liants prises au microscope électronique à balayage avant et après le cyclage ont révélé que seules de minuscules fissures se formaient sur le copolymère BP, alors que de grandes fissures s'étaient déjà formées sur le PVDF en moins d'un tiers du nombre total de cycles.

Les résultats théoriques et expérimentaux de cette étude ouvriront la voie au développement de batteries Li-ion longue durée. À son tour, cela pourrait avoir des conséquences économiques et environnementales considérables, comme l'explique le professeur Matsumi :« La réalisation de batteries durables contribuera au développement de produits plus fiables pour une utilisation à long terme. Cela encouragera les consommateurs à acheter des actifs à base de batteries plus chers comme les véhicules électriques, qui seront utilisées pendant de nombreuses années. » Il remarque également que les piles durables seraient une bonne nouvelle pour ceux qui comptent sur des organes artificiels, comme les patients atteints de certaines maladies cardiaques. Bien sûr, la population générale en bénéficierait également, vu le nombre de smartphones, comprimés, et les ordinateurs portables sont utilisés et rechargés tous les jours.