Anode plus sûre pour les batteries à longue durée de vie et à forte densité énergétique

Les futures batteries pour tout, de l’électronique aux véhicules, exigeront une densité d’énergie élevée dans un appareil aussi petit et léger que possible, un défi que les scientifiques ont essayé de résoudre dans la conception de nouveaux appareils.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne et de l’Université chinoise de Jilin à Changchun ont développé une nouvelle anode composée d’un matériau qui, selon eux, est bien adapté à ces futures batteries lithium-ion hautes performances.

L’anode, composée du matériau titanate de lithium et de lanthane avec une structure cristalline de pérovskite, ou LLTO, permet des améliorations globales dans une myriade d’aspects de la technologie des batteries, notamment la densité énergétique, la densité de puissance, le taux de charge, la sécurité et la durée de vie.

Actuellement, les anodes des batteries lithium-ion utilisent du graphite comme matériau actif qui est appliqué au collecteur de courant du composant pour stocker l’énergie sous forme de liaisons chimiques.

Mais il existe des problèmes bien documentés et étudiés avec le graphite. L’une est que les électrodes négatives constituées du matériau ont un faible taux de charge. L’autre est que ces anodes sont associées à des problèmes de sécurité tels que des explosions et des incendies qui peuvent se produire lorsque des dendrites, ou des structures en forme d’aiguille, se forment à l’intérieur de la batterie.

Le matériel montre la promesse

Les chercheurs ont déjà utilisé le titanate de lithium (LTO) dans des batteries lithium-ion commerciales pour remplacer le graphite de manière plus répandue afin de renforcer les performances des futures batteries. Les électrodes négatives avec LTO ont déjà montré un taux de charge plus élevé et sont considérées comme plus sûres que le graphite.

Cependant, un inconvénient des batteries lithium-ion qui utilisent des anodes LTO est qu’elles ont tendance à avoir une densité d’énergie plus faible. C’est le problème que l’équipe a réussi à résoudre en utilisant LLTO, qui est un matériau similaire.

Les chercheurs, qui comprenaient également d’autres scientifiques à Singapour et en Chine, ont découvert que les anodes LLTO ont un potentiel d’électrode inférieur à celui des anodes LTO commercialisées, ce qui permet une tension de cellule plus élevée et une capacité plus élevée.

Ceci est essentiel car « la tension des cellules et la capacité de stockage déterminent en fin de compte la densité énergétique d’une batterie », a déclaré Helmut Ehrenberg, directeur de l’Institut des matériaux appliqués – Systèmes de stockage d’énergie au KIT, dans un communiqué de presse.

Cette découverte ouvre désormais la voie aux anodes LLTO pour le développement de « cellules hautes performances particulièrement sûres avec une longue durée de vie », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Communications naturelles.

Avantage pour la fabrication

Le matériau a également montré des signes positifs pour un autre facteur clé pour déterminer les performances d’une batterie à long terme dans des applications exigeantes – le taux de charge, ont noté les chercheurs. Dans ce contexte, il permet également des processus de fabrication d’électrodes plus simples et plus rentables pour les batteries, a déclaré Ehrenberg.

Pour améliorer le taux de charge d’une batterie, il est courant de réduire la taille des particules du matériau de l’électrode de micro à nano-échelle, ont déclaré les chercheurs, ce qui ajoute également de la complexité au processus de fabrication.

Ce changement est effectué car, en principe, le courant de décharge maximum et le temps de charge minimum de la batterie dépendent du transport d’ions et d’électrons à la fois dans le corps et aux interfaces entre les matériaux d’électrode et d’électrolyte.

Avec le LLTO, les chercheurs ont découvert qu’aucune réduction n’était nécessaire, car même les particules de quelques micromètres dans les LLTO à structure pérovskite présentent une densité de puissance plus élevée et un meilleur taux de charge que les nanoparticules LTO.

Ils pensent que c’est le cas parce que les électrons individuels et les ions chargés sont attachés au LLTO, ces derniers étant liés par des forces faibles et peuvent transférer de manière réversible des charges à l’anode.