Électrode tricouche graphite/PMMA/Li avant (à gauche) et après (à droite) d'être trempée dans l'électrolyte de la batterie pendant 24 heures. Avant de tremper dans l'électrolyte, l'électrode tricouche est stable à l'air. Après trempage, le lithium réagit avec le graphite et la couleur devient dorée. Crédit :Yuan Yang, Britannique Ingénierie
Yuan Yang, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Columbia Engineering, a développé une nouvelle méthode pour augmenter la densité énergétique des batteries au lithium (Li-ion). Il a construit une structure tricouche stable même à l'air ambiant, ce qui rend la batterie à la fois plus durable et moins chère à fabriquer. L'oeuvre, ce qui peut améliorer la densité énergétique des batteries au lithium de 10 à 30 %, est publié en ligne aujourd'hui dans Lettres nano .
"Lorsque les batteries au lithium sont chargées pour la première fois, ils perdent entre 5 et 20 % d'énergie au cours de ce premier cycle, " dit Yang. " Grâce à notre conception, nous avons pu regagner cette perte, et nous pensons que notre méthode a un grand potentiel pour augmenter la durée de fonctionnement des batteries pour l'électronique portable et les véhicules électriques."
Lors de la première charge d'une batterie au lithium après sa fabrication, une partie de l'électrolyte liquide est réduite en une phase solide et déposée sur l'électrode négative de la batterie. Ce processus, généralement effectué avant que les batteries ne soient expédiées d'une usine, est irréversible et diminue l'énergie stockée dans la batterie. La perte est d'environ 10% pour les électrodes négatives de pointe, mais peut atteindre jusqu'à 20-30% pour les électrodes négatives de nouvelle génération à haute capacité, comme le silicium, parce que ces matériaux ont une grande expansion volumique et une grande surface spécifique. La perte initiale importante réduit la capacité atteignable dans une cellule pleine et compromet ainsi le gain en densité d'énergie et la durée de vie en cyclage de ces électrodes nanostructurées.
L'approche traditionnelle pour compenser cette perte a été de mettre certains matériaux riches en lithium dans l'électrode. Cependant, la plupart de ces matériaux ne sont pas stables dans l'air ambiant. Fabrication de batteries à l'air sec, qui n'a pas du tout d'humidité, est un procédé beaucoup plus coûteux que la fabrication à l'air ambiant. Yang a développé une nouvelle structure d'électrode à trois couches pour fabriquer des anodes de batterie lithiées dans l'air ambiant. Dans ces électrodes, il a protégé le lithium avec une couche du polymère PMMA pour empêcher le lithium de réagir avec l'air et l'humidité, puis enduit le PMMA de matériaux actifs tels que du graphite artificiel ou des nanoparticules de silicium. La couche de PMMA a ensuite été dissoute dans l'électrolyte de la batterie, exposant ainsi le lithium aux matériaux d'électrode. "De cette façon, nous avons pu éviter tout contact avec l'air entre le lithium instable et une électrode lithiée, " Yang explique, « de sorte que l'électrode à structure tricouche peut fonctionner à l'air ambiant. Cela pourrait constituer une avancée intéressante vers la production en série d'électrodes de batterie lithiées. »
Illustration montrant la procédure de fabrication de l'électrode tricouche. Le PMMA est utilisé pour protéger le lithium et rendre l'électrode tricouche stable à l'air ambiant. Le PMMA est dissous dans l'électrolyte de la batterie et les contacts en graphite avec le lithium pour compenser la perte due à la réduction de l'électrolyte. Crédit :Yuan Yang, Britannique Ingénierie
La méthode de Yang a réduit la capacité de perte dans les électrodes en graphite de pointe de 8% à 0,3%, et dans les électrodes de silicium, de 13% à -15%. Le chiffre de -15% indique qu'il y avait plus de lithium que nécessaire, et le lithium "supplémentaire" peut être utilisé pour améliorer encore la durée de vie des batteries, car l'excès peut compenser la perte de capacité dans les cycles suivants. Parce que la densité d'énergie, ou capacité, des batteries lithium-ion a augmenté de 5 à 7 % par an au cours des 25 dernières années, Les résultats de Yang indiquent une solution possible pour améliorer la capacité des batteries Li-ion. Son groupe essaie maintenant de réduire l'épaisseur du revêtement polymère afin qu'il occupe un plus petit volume dans la batterie au lithium, et d'augmenter sa technique.
"Cette structure d'électrode à trois couches est en effet une conception intelligente qui permet le traitement d'électrodes contenant du lithium-métal dans des conditions ambiantes, " note Hailiang Wang, professeur assistant de chimie à l'université de Yale, qui n'a pas participé à l'étude. "L'efficacité coulombienne initiale des électrodes est une grande préoccupation pour l'industrie des batteries Li-ion, et cette technique efficace et facile à utiliser de compensation de la perte irréversible d'ions Li suscitera l'intérêt."
