Matériaux en poudre dans les batteries au lithium — Savez-vous lesquels ?

Les batteries au lithium sont principalement constituées de l'anode, de la cathode, du séparateur, de l'électrolyte, du liant, de l'agent conducteur, du collecteur de courant et des matériaux d'emballage. Selon la classification des matériaux, l'anode, la cathode, le liant et l'agent conducteur sont matériaux en poudre Dans les batteries au lithium. Certains électrolytes solides sont des matériaux en poudre, et certains séparateurs modifiés contiennent également des matériaux en poudre.

Électrode positive

Les matériaux d'électrode positive commercialisés comprennent l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2), l'oxyde de lithium-manganèse (LiMn2O4), le NCM (LiNixMnyCozO2) et Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4).

Oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2)Solide noir à température ambiante. Composé inorganique reconnu pour sa stabilité, sa synthèse simple, ses performances électrochimiques élevées et sa longue durée de vie, il constitue le premier matériau de cathode à succès commercial pour les batteries lithium-ion et est principalement utilisé dans les batteries 3C.
Oxyde de lithium et de manganèse (LiMn2O4)Poudre gris-noir à structure cristalline spinelle cubique. Elle contient trois canaux de transport d'ions lithium, permettant une diffusion plus rapide des ions. Elle est donc adaptée aux batteries lithium-ion à haut débit de charge.
Matériau positif ternaire (LiNixMnyCozO2)Matériau de cathode ternaire où le Ni et le Mn remplacent partiellement le Co dans le LiCoO2. Il hérite de la stabilité du LiCoO2, de la grande capacité réversible du LiNiO2 et de la sécurité du LiMnO2. Sa faible teneur en Co réduit les coûts, ce qui en fait un matériau de cathode prometteur.
Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4):Avec sa structure olivine, il ne contient pas d'éléments coûteux comme le cobalt ou le nickel. Il est économique et riche en matières premières. Il présente une tension de fonctionnement modérée (3,2 V), une capacité spécifique élevée (170 mAh/g), une puissance de décharge élevée, une capacité de charge rapide et une longue durée de vie.

Électrode négative

Les matériaux d'électrode négative les plus courants comprennent le graphite, le carbone dur, le carbone mou, le titanate de lithium et les matériaux à base de silicium. Le graphite est le plus utilisé, et les matériaux à base de silicium présentent le plus grand potentiel.

Graphite: Principalement composé de graphite, il présente une conductivité et une densité énergétique élevées, chimique Stabilité et faibles coûts de fabrication. Disponible sous forme naturelle et artificielle.
Carbone dur:C'est du carbone qui ne graphite pas à haute température. Il présente des arrangements cristallins internes désordonnés et un grand espacement entre les couches, ce qui permet un stockage de charge plus important, améliorant ainsi la densité énergétique et la durée de vie de la batterie.
Carbone douxCe matériau est facilement graphitisable au-dessus de 2500 °C. Il présente un degré d'ordre élevé et offre une tension de charge/décharge faible et stable. Il offre une grande capacité, un rendement élevé et de bonnes performances de cyclage. Sa structure dépend de la température de frittage. Les matériaux en carbone tendre préparés à des températures inférieures à 1000 °C présentent un grand nombre de défauts, offrant ainsi de nombreux sites actifs pour le stockage du lithium, ce qui favorise une insertion et une extraction fluides des ions lithium.
Titanate de lithiumPoudre blanche présentant une tension d'extraction des ions lithium élevée (1,55 V par rapport à Li/Li+). Elle présente une sécurité élevée et des propriétés « zéro contrainte », garantissant une modification structurelle minimale lors de l'insertion et de l'extraction des ions lithium. Sa durée de vie théorique est illimitée. Par conséquent, elle présente un intérêt considérable pour la recherche et des perspectives d'application commerciale en tant que matériau d'électrode négative pour le stockage d'énergie et les batteries au lithium.
Matériaux à base de silicium: Comprend le nano-silicium et le sous-oxyde de silicium. Ces matériaux sont utilisés pour les anodes silicium-carbone ou oxyde de silicium. Les anodes à base de silicium offrent une capacité spécifique et une densité énergétique bien supérieures à celles des matériaux à base de carbone, ce qui en fait les matériaux d'anode de nouvelle génération les plus prometteurs.

Classeurs

Des liants tels que le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) sont utilisés. Le PVDF peut être utilisé à la fois pour l'anode et la cathode, tandis que le SBR est généralement utilisé pour l'anode.

Polyfluorure de vinylidène (PVDF)Le PVDF présente une excellente stabilité chimique et une excellente résistance à la corrosion. Il résiste efficacement à l'effet corrosif des solvants électrolytiques. Il offre également de bonnes propriétés de liaison, de bonnes performances mécaniques et une bonne aptitude à la mise en œuvre. Sa flexibilité garantit que les substances actives ne se détachent pas lors de l'expansion et de la contraction.
Caoutchouc styrène-butadiène (SBR)Le SBR est largement utilisé comme liant aqueux, notamment dans les liants d'anodes, où il est utilisé pour le 98%. Il offre une forte adhérence, une stabilité mécanique et une grande facilité d'utilisation. Il contribue à lier les particules et améliore la dynamique de la batterie, réduisant l'impédance et améliorant la stabilité du cyclage.

Agents conducteurs

Des agents conducteurs sont utilisés pour assurer de bonnes performances de charge/décharge en collectant les microcourants et en les dirigeant vers le collecteur de courant (feuille d'aluminium ou de cuivre). Parmi les agents conducteurs courants, on trouve : noir carbone, fibres de carbone cultivées en phase vapeur (VGCF) et nanotubes de carbone (CNT).
Noir carboneCarbone amorphe, fine poudre noire et lâche. Produit par combustion incomplète de substances organiques et traitement à haute température pour améliorer la conductivité et la pureté, il est l'agent conducteur le plus couramment utilisé dans les batteries au lithium, améliorant le contact entre les particules et formant un réseau conducteur.
Fibres de carbone cultivées en phase vapeur (VGCF)Ces fibres présentent un module de flexion élevé et une faible dilatation thermique. L'ajout de VGCF améliore la flexibilité et la stabilité mécanique, ce qui les rend idéales pour les batteries longue durée et à haut rendement, comme celles utilisées dans les véhicules électriques.
Nanotubes de carbone (CNT)L'impédance du CNT est deux fois moindre que celle du noir de carbone. Une faible impédance assure une bonne conductivité, améliore la polarisation et optimise les performances du cycle. La quantité de noir de carbone ajoutée représente environ 31 TP3T du poids du matériau d'électrode positive, tandis que la quantité de CNT ajoutée n'est que de 0,81 TP3T à 1,51 TP3T. Cette faible quantité ajoutée permet de gagner de la place pour les matériaux actifs, augmentant ainsi la densité énergétique. Cependant, le CNT est difficile à disperser. Actuellement, l'industrie utilise généralement le cisaillement à grande vitesse, l'ajout de dispersants et la dispersion électrostatique sur billes de broyage ultrafines pour le traiter.

Électrolytes à l'état solide

Certains électrolytes solides sont également sous forme de poudre :

Disulfure de germanium de haute pureté (GeS2): Une poudre blanche à haute conductivité ionique, à stabilité chimique et à longue durée de vie. Sa pureté peut atteindre 99,99%.
Oxyde de lithium, de lanthane et de zirconium (LLZO)Ce matériau présente une excellente conductivité ionique (1,5 × 10-4 S/cm) et est utilisé pour la préparation de batteries lithium-ion à l'état solide. Il peut être synthétisé par sol-gel, combustion à basse température, microémulsion et autres méthodes.
Oxyde de lithium, de lanthane, de zirconium et de tantale (LLZTO)Il offre une conductivité ionique, une stabilité chimique et thermique élevées. L'optimisation du procédé de préparation et de la structure cristalline permet d'améliorer encore ses propriétés électriques pour répondre aux besoins des batteries solides hautes performances.

D'autres poudres d'électrolytes à l'état solide comprennent le sulfate de baryum, le chlorure de lithium phosphore soufre (sulfure à haute stabilité) et le sulfure de lithium germanium phosphore soufre.

Séparateur de batterie

Les séparateurs traditionnels présentent une faible stabilité à haute température, ce qui impacte la sécurité. Pour améliorer la sécurité, ils sont modifiés par l'ajout de revêtements en poudre. Ces séparateurs modifiés contiennent des matériaux en poudre.

Oxyde d'aluminium (Al2O3)L'oxyde d'aluminium est abondant dans la nature et présente d'excellentes propriétés d'inertie chimique, de stabilité thermique et de propriétés mécaniques. Il est couramment utilisé dans les séparateurs céramiques pour améliorer les performances globales des séparateurs en polyoléfine. C'est également la poudre inorganique utilisée en grande quantité pour la modification des diaphragmes des batteries au lithium.
Boehmite (AlOOH) : La boehmite, également appelée oxyde d'aluminium monohydraté, est un type d'oxyde d'aluminium cristallisé. C'est un précurseur irremplaçable de l'oxyde d'aluminium. La production d'AlOOH est plus simple que celle d'α-Al₂O₃. Dans l'industrie, la suspension de boehmite est obtenue par la méthode hydrothermale à la gibbsite, puis la poudre ultrafine d'AlOOH est obtenue par filtration, séchage et broyage.
Dioxyde de titane (TiO2)Le TiO2 est non toxique, stable et facile à contrôler lors de sa préparation. Il améliore la stabilité thermique du séparateur, la mouillabilité de l'électrolyte et réduit l'impédance de l'interface, améliorant ainsi le transport des ions lithium. C'est un bon matériau pour la modification des séparateurs en polymères organiques.
Dioxyde de silicium (SiO2)Le SiO2 est une charge inorganique couramment utilisée pour modifier les polymères. Sa grande surface spécifique et ses groupes hydroxyles (Si-OH) améliorent la mouillabilité du séparateur, optimisent le transport des ions lithium et optimisent les performances électrochimiques. Le SiO2 renforce également la résistance mécanique du séparateur et prévient la croissance de dendrites, réduisant ainsi les courts-circuits thermiques. Contrairement à l'Al2O3, au TiO2 et à l'AlOOH, le SiO2 est plus facile à contrôler et à modifier.

Poudre épique

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