La dispersion à haute pression rend la production de batteries LFP plus durable
Le Wet Jet Milling permet d'économiser 42 pour cent d'énergie lors de la fabrication de cathodes de lithium-phosphate de fer
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Les chercheurs du Fraunhofer IPA montrent comment différents procédés de dispersion optimisent la fabrication de cathodes de lithium-phosphate de fer respectueuses de l'environnement. Le Wet Jet Milling permet d'économiser jusqu'à 42 pour cent de l'énergie du processus - tout en conservant pratiquement les mêmes performances de la batterie.
Vue de l'installation Wet-Jet-Milling au Fraunhofer IPA
Fraunhofer IPA, Rainer Bez
Les batteries lithium-ion sont l'épine dorsale de l'électromobilité et des accumulateurs d'énergie modernes. Mais leur fabrication pollue l'environnement : les liants standard comme le polyfluorure de vinylidène (PVDF) - un plastique qui maintient les électrodes ensemble - nécessitent le solvant toxique N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP). Les scientifiques de l'Institut Fraunhofer pour les techniques de production et l'automatisation IPA ont développé de manière ciblée la fabrication de cathodes de phosphate de fer et de lithium à base d'eau en étudiant systématiquement l'influence de différents procédés de dispersion. Le liant biosourcé carboxyméthylcellulose (CMC) est utilisé à cet effet. La CMC est soluble dans l'eau, provient de la cellulose et permet de réaliser un processus entièrement à base d'eau sans solvants organiques.
Pour les cathodes, les électrodes positives, le phosphate de fer et de lithium (LFP) est considéré comme une alternative sûre et plus économique que les oxydes de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC), qui sont souvent utilisés. En effet, le LFP se passe de métaux critiques comme le cobalt et le nickel, est thermiquement stable et atteint de longues durées de vie de cycle. Dans la pratique industrielle, la conductivité relativement faible du LFP freine toutefois ses performances à des taux de charge et de décharge élevés.
Comparaison directe de deux procédés de dispersion pour les slurries LFP
L'équipe a systématiquement étudié deux procédés importants pour l'industrie, qui mélangent une pâte à partir de matière active, de noir de carbone conducteur, de liant et d'eau : un disperseur classique ainsi que le procédé haute pression Wet Jet Milling. Dans le mélange en dissolveur, un disque denté tourne à grande vitesse dans la pâte, également appelée slurry, ce qui crée des forces de cisaillement qui brisent les agglomérats de particules. Le Wet Jet Milling est un procédé à haute pression au cours duquel la pâte est pressée à travers des micro-buses à une pression pouvant atteindre 2200 bars. Il produit des collisions intenses de particules et une fragmentation particulièrement efficace.
Les chercheurs ont caractérisé les pâtes résultantes en termes de distribution de la taille des particules, de viscosité (comportement d'écoulement) et de comportement de sédimentation. Les électrodes enduites et calandrées - c'est-à-dire les couches d'électrodes compactées - ont été analysées par des mesures d'épaisseur et par microscopie électronique à balayage. Les performances électrochimiques ont été déterminées par des tests de taux C. Ces derniers consistent à tester des cellules de batterie à différentes vitesses de charge et de décharge : 0,1 C = charge/décharge très lente, environ 10 h pour une charge/décharge complète ; 1 C = "nominal", 1 h ; 3 C = très rapide, 20 min.
Différences significatives dans les propriétés de traitement
Les résultats montrent des différences significatives dans les propriétés de slurry : Le Wet Jet Milling a réduit la taille moyenne des particules de 39 pour cent (de 7,91 à 4,78 micromètres) et a drastiquement diminué la viscosité - de 96 pour cent à des taux de cisaillement faibles, de 80 pour cent à des taux moyens et de 64 pour cent à des taux élevés. Les particules plus fines et la viscosité plus faible du Wet Jet Milling ont permis de traiter une teneur en solides plus élevée par rapport à la pâte du dissolveur, ce qui peut réduire les besoins en énergie pour le séchage.
Les images prises au microscope électronique à balayage ont montré que les électrodes fabriquées par Wet Jet Milling étaient plus homogènes et plus denses. L'interface avec le collecteur de courant en aluminium était plus lisse et plus fermée, ce qui laisse présager un meilleur flux de courant et une meilleure stabilité mécanique.
La performance électrochimique reste largement stable
Malgré les différences considérables dans les propriétés de traitement, les performances électrochimiques des électrodes ne différaient que très peu. Pour la plupart des taux de C testés, les capacités de décharge - c'est-à-dire la quantité d'énergie électrique que la batterie peut fournir - se situaient dans la tolérance de mesure. Ce n'est qu'à 1,0 C que la variante Wet-Jet-Milling a montré une capacité supérieure de 12,8 pour cent (83,8 vs. 73,1 milliampères-heures par gramme). Les chercheurs attribuent ce résultat à la plus grande surface active des particules plus petites, qui permet des réactions électrochimiques plus rapides.
Économie d'énergie et pertinence industrielle
Un bilan énergétique global pour le mélange et le séchage montre l'avantage décisif : la combinaison du Wet Jet Milling et du mélange en dissolveur pour la formulation complète a nécessité 0,98 kilowatt-heure par kilogramme de pâte (kWh/kg) - contre 1,70 kWh/kg pour le procédé en dissolveur uniquement. En ajoutant l'énergie de séchage, cela correspond à une économie d'énergie de 42 pour cent. La teneur plus élevée en matières solides de la pâte Wet-Jet-Milling réduit donc les temps de séchage et augmente l'efficacité de la production.
"Nos résultats montrent que l'optimisation des processus de production est aussi importante que le choix des matériaux", explique l'auteur de l'étude, Leah Jalowy, et son collègue auteur Dominik Nemec ajoute : "Le traitement à base d'eau avec un liant CMC élimine les solvants toxiques de la chaîne de production, tandis que les processus de dispersion optimisés permettent d'économiser de l'énergie et d'améliorer la qualité du produit - sans affecter de manière significative les performances de la batterie".
L'étude a été publiée dans la revue à accès libre AppliedChem le 5 novembre 2025 et fournit des informations importantes pour les fabricants de batteries qui souhaitent établir des processus de production durables. Alors que les recherches ont été menées à l'échelle du laboratoire, les résultats suggèrent que les avantages sont encore plus évidents lorsqu'ils sont mis à l'échelle industrielle.
Les travaux de l'étude ont été réalisés au sein de la plateforme technologique du centre de dispersion du Fraunhofer IPA, en étroite collaboration avec le fabricant de machines japonais Sugino. En collaboration avec les entreprises membres, comme la société Sugino, le centre de dispersion traite et aborde les thèmes actuels de la recherche sur les dispersions de manière intersectorielle et ciblée.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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