Plus épaisses, plus denses, meilleures : de nouvelles électrodes pourraient être la clé des batteries avancées

Frittage rapide assisté par champ électrique et par pression pour contrôler l'alignement du graphène dans des électrodes composites épaisses afin d'améliorer les performances de stockage du lithium. Crédit : Hongtao Sun, Penn State. Tous droits réservés.

16 août 2023

Par Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — La demande de batteries hautes performances, en particulier pour une utilisation dans les véhicules électriques, augmente à mesure que le monde déplace sa consommation d'énergie vers un système davantage électrique, réduisant ainsi sa dépendance aux combustibles fossiles et donnant la priorité aux efforts de lutte contre le changement climatique. Pour améliorer les performances et la production des batteries, les chercheurs et collaborateurs de Penn State ont développé une nouvelle approche de fabrication qui pourrait conduire à des batteries plus efficaces qui maintiennent les niveaux d'énergie et de puissance.

La méthode améliorée de fabrication des électrodes de batterie pourrait conduire à des batteries hautes performances qui permettraient des véhicules électriques plus économes en énergie, ainsi qu'à des avantages tels que l'amélioration du stockage sur le réseau électrique, selon Hongtao Sun. Sun est professeur adjoint d'ingénierie industrielle et manufacturière à Penn State et co-auteur correspondant de l'étude, qui a été publiée et présentée sur la couverture de Carbon.

"Avec les batteries actuelles, nous voulons qu'elles nous permettent de conduire une voiture sur de plus longues distances, et nous voulons recharger la voiture en peut-être cinq minutes, 10 minutes, comparable au temps qu'il faut pour faire le plein d'essence", a déclaré Sun. "Dans notre travail, nous avons réfléchi à la manière d'y parvenir en rendant les électrodes et les cellules de batterie plus compactes, avec un pourcentage plus élevé de composants actifs et un pourcentage plus faible de composants passifs."

Si un constructeur de voitures électriques souhaite améliorer la distance de conduite de ses véhicules, il ajoute davantage de cellules de batterie, se comptant par milliers. Selon Sun, plus il est petit et léger, mieux c'est.

"La solution pour les distances de conduite plus longues pour un véhicule électrique consiste simplement à ajouter des batteries compactes, mais avec des électrodes plus denses et plus épaisses", a déclaré Sun, expliquant que de telles électrodes pourraient mieux connecter et alimenter les composants de la batterie, les rendant plus actifs. Si cette approche peut légèrement réduire les performances de la batterie par poids d'électrode, elle améliore considérablement les performances globales du véhicule en réduisant le poids de la batterie et l'énergie nécessaire pour déplacer le véhicule électrique.

Des électrodes plus efficaces – une sorte de passerelle pour l’électricité dans une batterie – pourraient aider à obtenir une batterie avec un pourcentage plus élevé de composants actifs.

"Si vous pensez aux composants centraux à l'intérieur d'une batterie, seule l'électrode contribue aux performances de la batterie", a déclaré Sun. "Les autres pièces comme l'emballage, le séparateur, le collecteur de courant, etc., sont tous des composants passifs qui ajoutent du poids et n'ajoutent pas de poids. Cela ne contribue pas du tout aux performances de la batterie. Si nous voulons améliorer les performances de la batterie, nous devons travailler sur les matériaux des électrodes de la batterie et maximiser leur pourcentage de poids dans une cellule de batterie.

Hongtao Sun, professeur adjoint d'ingénierie industrielle et manufacturière à Penn State

Les tentatives antérieures visant à améliorer les performances de la batterie via de meilleures électrodes se concentraient sur une seule mesure, ce qui n'était pas aussi efficace car la batterie fonctionnait alors mal sur d'autres mesures de compromis. Par exemple, lorsqu'une batterie donne la priorité à des performances gravimétriques élevées (la quantité d'énergie qu'elle peut stocker par rapport à son poids), cela peut entraîner une réduction des performances métriques surfaciques (la quantité de charge qu'elle peut stocker par unité de surface) et/ou une diminution des performances volumétriques ( la quantité de charge délivrée par rapport à la taille de la batterie).

Normalement, les batteries sont constituées d’électrodes à couches minces d’anode et de cathode placées entre deux feuilles conductrices de courant et séparées par des séparateurs isolants. L’augmentation de l’épaisseur de ces électrodes pourrait améliorer la capacité et la densité de stockage d’énergie en offrant plus d’espace pour stocker et libérer de l’énergie. Une électrode plus épaisse peut stocker plus de charges et donc, tout comme un réservoir plus grand, peut contenir plus d’eau, plus d’énergie. Cependant, ils ont également un mauvais transport de charge, ce qui dégrade leurs performances globales.