Batteries lithium-ion nanostructurées

Malgré leur importance technologique, les batteries Li-ion sont des équipements low-tech. Leurs électrodes sont généralement fabriquées en broyant les matériaux constitutifs pour en faire une pâte agglomérée par frittage de façon à former une couche poreuse. Cette méthode ne permet pas d’affiner la porosité de façon à optimiser leurs performances électrochimiques. Étant donné que l’intercalation des ions est limitée à l’échelle nanométrique, des électrodes nanoporeuses sont en principe requises pour optimiser la densité énergétique de la batterie. Une trop grande nanoporosité des matériaux de la batterie conduit toutefois à des phénomènes de diffusion, de transport limité des ions lithium vers la surface des électrodes et, généralement, d’instabilité mécanique des matériaux au fil des cycles. Ces aspects limitent tous deux considérablement l’intérêt des matériaux nanostructurés dans les batteries Li-ion.

Étant donné les processus actuels de fabrication des batteries et les considérations exposées dans le paragraphe « Contexte » ci-dessus, les matériaux optimisés pour la production d’électrodes doivent satisfaire à diverses exigences. Ils doivent :

1. être compatibles avec les procédés de fabrication actuels,
2. être bon marché, mais
3. permettre la réalisation de pores à l’échelle nanométrique.

Le but du projet était par conséquent de produire des particules présentant la granularité des matériaux habituellement utilisés dans les batteries standard du commerce, mais dont la porosité interne peut être affinée avec précision lors de la synthèse de ces particules. Produit à grande échelle, un tel système pourrait ensuite être employé dans la fabrication de batteries standard afin d’améliorer la capacité, le rendement (capacité après charge et décharge rapide) et le cyclage (perte de capacité réduite après de nombreux cycles de charge et de décharge) des batteries Li-ion.

La démarche globale visant à réaliser les objectifs ci-dessus a consisté à combiner des matériaux inorganiques obtenus par synthèse sol-gel avec des copolymères à bloc auto-assemblés, comme l’a démontré précédemment l’équipe du professeur Steiner pour d’autres applications de ces matériaux (p. ex. dans le domaine du photovoltaïque ou de l’optique). À cet effet, l’approche initiale a été de faire usage du co-assemblage de copolymères à bloc grâce à un procédé chimique de type sol-gel pour produire des sphères de titane anatase nanostructurées de quelques micromètres de diamètre. Ceci constitue une démonstration de principe que les matériaux appropriés pour la fabrication de batteries peuvent aisément être synthétisés avec un degré élevé de contrôle de leur morphologie hiérarchique, de l’échelle nanométrique à l’échelle micrométrique. Cette démarche a été complétée par une seconde approche complémentaire, en collaboration avec l’Université de Nottingham, où des sphères de polymère nanostructurées et auto-assemblées semblables ont été synthétisées en dioxyde de carbone supercritique. Ces deux approches font office de plate-forme générique pour la fabrication d’une gamme de matériaux d’électrodes pour batteries inorganiques. L’utilité de cette approche a été démontrée par la fabrication de phosphate de fer lithié à structure hiérarchique mésoporeuse, un matériau couramment utilisé pour les cathodes des batteries. Comparées au Li-métal dans une demi-cellule, les électrodes en phosphate de fer lithié mésoporeux, conçues au moyen de procédés standard du secteur, ont révélé de remarquables capacités de cyclage et un excellent cycle de vie. Fréquemment utilisé pour l’anode correspondante, le lithium-titanate a lui aussi été synthétisé sous forme de sphères mésoporeuses, qui ont révélé d’excellentes propriétés mécaniques et électrochimiques, à l’instar du phosphate de fer lithié. Globalement, ce projet a permis de produire des matériaux d’électrodes ayant des porosités bien définies, qui améliorent considérablement les performances des batteries, tout en restant compatibles avec les protocoles standard de fabrication de ces dernières.

Implications pour la recherche

Ces résultats font sensiblement progresser la compréhension du rôle de la structure des électrodes dans les performances des matériaux constitutifs des batteries. Ils fournissent une base solide pour l’extrapolation de cette approche à une large palette d’autres matériaux d’électrodes, qui pourraient à leur tour déclencher des recherches innovantes. Les résultats ont été publiés dans des revues scientifiques réputées. Ces travaux ont également amélioré la visibilité internationale de la recherche suisse dans le domaine des batteries.

Implications pour la pratique

Les résultats de ce projet sont potentiellement exploitables à l’échelle industrielle, mais un certain nombre de contraintes de marché empêchent encore leur mise en œuvre rapide.

Hierarchically structured materials for super-capacitors and batteries