Tisser des électrodes de batterie secondaire avec des fibres et les attacher comme des cordes pour assurer la durabilité et la performance
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Une équipe de recherche conjointe dirigée par le Dr Gyujin Song de l'Institut coréen de recherche sur l'énergie (Président : Yi, Chang-Keun, ci-après "KIER"), le Dr Kwon-Hyung Lee de l'Université de Cambridge et le Professeur Tae-Hee Kim de l'Université d'Ulsan a développé avec succès une nouvelle technologie de fabrication par voie sèche pour les électrodes de batteries secondaires qui surmonte les limites des processus conventionnels de fabrication d'électrodes.
Cellules de type poche fabriquées à l'aide de la technologie développée (du haut, cellule avec anode en lithium métal, cellule avec anode en graphite)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
La technologie mise au point par l'équipe de recherche est un procédé de fabrication à sec qui forme une structure à double fibre à l'intérieur de l'électrode, en créant simultanément des fibres fines "filiformes" et des fibres épaisses "filiformes". Cette architecture à double fibre (double fibre) permet à la technologie de résoudre simultanément les problèmes de faible résistance au mélange et de dégradation des performances des procédés à sec conventionnels.
Les méthodes de fabrication des électrodes pour les batteries secondaires se divisent en deux grandes catégories : les procédés par voie humide et les procédés par voie sèche, selon l'utilisation ou non d'un solvant. Dans le procédé humide, un liant dissous dans un solvant est utilisé comme adhésif, ce qui garantit un mélange uniforme des matériaux de l'électrode. En raison de sa grande fiabilité et de ses avantages en termes de sécurité, le procédé par voie humide est actuellement la méthode la plus utilisée pour la fabrication des électrodes.
Liant : matériau polymère utilisé dans la fabrication des électrodes de batteries secondaires, qui maintient ensemble des composants tels que le matériau actif (qui stocke l'énergie électrique) et l'additif conducteur (qui transporte le courant électrique), de sorte que l'électrode puisse conserver sa forme de manière stable.
Toutefois, cette méthode repose sur l'utilisation de solvants organiques toxiques, ce qui représente un lourd fardeau pour l'environnement, et le temps nécessaire au séchage et à la récupération des solvants est long, ce qui entraîne des coûts de production élevés. C'est pourquoi on observe depuis peu un intérêt croissant pour le développement de technologies de traitement à sec qui n'utilisent pas de solvants.
Le procédé à sec n'utilise pas de solvants, ce qui permet un traitement plus rapide et contribue à réduire la pollution de l'environnement et la consommation d'énergie. Toutefois, comme il n'y a pas de solvant pour dissoudre le liant, seule une gamme limitée de liants peut être utilisée, comme le polytétrafluoroéthylène (PTFE), qui s'étire en structures semblables à des fibres et maintient physiquement les particules ensemble.
PTFE (polytétrafluoroéthylène) : matériau présentant une excellente résistance à la chaleur et aux produits chimiques, largement connu dans la vie quotidienne sous le nom de Teflon (marque déposée de DuPont, États-Unis), utilisé pour les revêtements de poêles à frire.
Par conséquent, dans les procédés à sec conventionnels, il est difficile de mélanger uniformément les matériaux des électrodes, et la faible cohésion du mélange a suscité des inquiétudes persistantes quant à la dégradation des performances et de la durabilité des piles finies.
Pour surmonter les limites structurelles du procédé à sec, les chercheurs n'ont pas modifié le matériau du liant PTFE conventionnel, mais ils ont contrôlé la structure physique de ce même matériau pour créer un liant PTFE doté d'une structure à "double fibre".
L'équipe de recherche a conçu un processus original en plusieurs étapes qui divise l'ajout de liant d'une seule étape en deux étapes. Tout d'abord, ils ajoutent une petite quantité de liant et procèdent à une étape de mélange primaire, formant un réseau fibreux fin et "filiforme" qui relie densément le matériau actif et l'additif conducteur. Ensuite, dans une étape de mélange secondaire, ils ajoutent le reste du liant de manière à ce que, tout en maintenant le réseau fibreux existant, une structure fibreuse supplémentaire, épaisse et robuste, en forme de corde, soit formée.
Le réseau fibreux fin et "filiforme" qui en résulte disperse uniformément les matériaux constitutifs, tels que la matière active et l'additif conducteur, ce qui rend les réactions plus uniformes et améliore les performances de la batterie. En outre, les fibres épaisses, semblables à des cordes, lient fermement l'ensemble de l'électrode, ce qui augmente considérablement sa résistance et sa stabilité mécanique et améliore la durabilité requise pour les processus de production de masse.
En outre, une analyse utilisant la cartographie de la réaction électrochimique et de la résistance a montré que toutes les régions de l'électrode présentent une cinétique de réaction et des caractéristiques de résistance rapides et uniformes. Il s'agit d'un facteur clé pour minimiser la perte d'énergie pendant le fonctionnement de la batterie, prévenir la dégradation des performances dans des zones spécifiques et, par conséquent, prolonger la durée de vie globale de la cellule.
Lors des évaluations de performance, l'électrode sèche mise au point par l'équipe de recherche a atteint une capacité surfacique élevée de 10,1 mAh/cm². Une cellule à anode lithium métal de type poche utilisant cette électrode a atteint une densité énergétique de 349 Wh/kg, soit environ 40 % de plus que les électrodes commerciales, qui sont de l'ordre de 250 Wh/kg. En outre, une cellule à poche utilisant une anode en graphite a atteint une densité énergétique de 291 Wh/kg, soit une valeur supérieure d'environ 20 % à celle d'une cellule à voie humide dans les mêmes conditions.
Gyujin Song, qui a dirigé la recherche, a déclaré : "Cette étude est très importante, car nous avons mis au point une technologie de traitement originale capable de résoudre simultanément les deux principaux problèmes des électrodes sèches : l'uniformité électrochimique et la durabilité mécanique. Nous pensons qu'elle permettra non seulement d'améliorer la compétitivité des coûts de l'industrie des batteries secondaires, mais qu'elle sera également applicable aux véhicules électriques et aux systèmes de stockage d'énergie (ESS), qui nécessitent une densité énergétique élevée."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Kwon-Hyung Lee, Hyeongseok Shim, Sang Hyun Lee, Hyeong-Jong Kim, Chanhyun Park, Jingyu Choi, Seok-Ju Lee, Young-Kuk Hong, Jihong Lyu, Jin Chul Kim, Sijeong Park, Hyungyeon Cha, Wooyoung Jin, Jinsoo Kim, Sinho Choi, Sang-Young Lee, Sung-Kyun Jung, Michael De Volder, Tae-Hee Kim, Gyujin Song; "Dual-fibrous PTFE structure enabling uniform and thick dry electrodes for high-energy-density and long-lasting batteries"; Energy & Environmental Science, Volume 18, 2025
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