Les batteries lithium-ion sont aujourd’hui les batteries rechargeables dominantes du marché.  Elles sont présentes dans de nombreuses applications, notamment l’électronique grand public, les véhicules électriques et les équipements industriels. Compte tenu de l’adoption massive de ces batteries lithium-ion depuis ces dernières années, la technologie des batteries est au cœur d’un ensemble diversifié de domaines de recherche dont le but est d’améliorer la durée de vie, les performances et la sécurité des batteries.

Les améliorations apportées au traitement et à la fabrication des électrodes constituent un domaine de recherche fondamentale.  Les chercheurs se sont plus particulièrement focalisés sur l’optimisation du processus de fabrication des électrodes, qui consiste à mélanger des particules solides actives de cathode ou d’anode avec des liants, des additifs et des solvants pour obtenir une suspensions (slurry) aux propriétés d’écoulement complexes et non newtoniennes. Le traitement efficace de ces suspensions (slurry) dépend fortement de la compréhension des propriétés d’écoulement, également appelées profils rhéologiques.

Une compréhension détaillée de la rhéologie de la suspensions (slurry) peut procurer un meilleur contrôle de la stabilité de stockage de celle-ci contre la sédimentation, de la pompabilité et de la transportabilité, ainsi que la capacité de constituer des films uniformes et sans défaut avec une masse plus élevée du revêtement. Ces mesures permettent de rationaliser les efforts d’optimisation des processus et permettent aux chercheurs de dériver des relations structure-propriété significatives pour développer de nouveaux matériaux qui repoussent les limites des performances des batteries. Les études suivantes illustrent le travail de chercheurs de premier plan qui se servent de la rhéologie pour améliorer le développement, la manipulation et le traitement des matériaux pour les batteries.

Toutes les batteries lithium-ion nécessitent un revêtement cathodique avec une suspension (slury). La fabrication industrielle moderne de ces suspensions utilise une enduction par filière plate de la cathode, dans lequel une tête de filière plate recouvre uniformément la cathode d’une suspension (slury) lisse et uniforme. Pour répondre à la demande croissante d’une fabrication plus rapide et plus efficace des batteries Li-ion, les chercheurs Hawley et Li du Laboratoire national d’Oak Ridge et de l’Université du Tennessee ont cherché à accélérer l’enduction par filière plate en élevant sa température pour réduire la viscosité de la suspension sur la cathode1. La réduction de la viscosité de cette suspension entraîne une vitesse d’application maximale et des imperfections minimales telles que les trainées et les variations d’épaisseur. L’équipe a utilisé un Rhéomètre Hybride Discovery (DHR) de TA Instruments et a constaté que l’augmentation de la température de la suspension (slury) de 25 °C à 75 °C diminuait la viscosité de 23 % à 60 °C, entraînant un accroissement potentiel de la vitesse de revêtement d’environ 14 %. Cela se traduit par des taux de production d’électrodes plus rapides tout en maintenant “une conservation de la capacité comparable lors des essais de cyclage à long terme et de décharge à haut débit”. La contrainte seuil et le module de stockage à l’équilibre des suspensions (slurries) ont augmenté de façon monotone entre 25 °C et 60 °C, “ce qui présente l’avantage supplémentaire d’une plus grande résistance à la sédimentation des matières actives.”

Toutes les batteries à l’état solide sont de nouvelles configurations constituées d’électrodes solides et d’électrolyte solide à la place des électrodes et électrolytes traditionnels liquides ou en gel polymère. Les chercheurs des départements de génie mécanique, de science des matériaux et de génie chimique et biomoléculaire de l’université Vanderbilt ont analysé la formulation de l’encre pour les électrodes composites des batteries à l’état solide (ASSB).² La fabrication à grande échelle d’électrodes composites repose sur la création d’une encre associant le matériau solide de l’électrode, le liant et le solvant. L’ingénierie des encres consiste à optimiser la rhéologie, le comportement d’agrégation et la stabilité de l’encre pour le processus de revêtement souhaité, entraînant une amélioration des performances des électrodes composites dans les ASSB.

L’équipe de Vanderbilt composée de Shen, Dixit, Zaman, Hortance, Rogers et Hatzell a utilisé un Rhéomètre Hybride Discovery (DHR) de TA Instruments pour évaluer différentes combinaisons de solvants et de liants. Ils ont constaté que le solvant terpinéol et le liant polyvinylbutyral (PVB), une combinaison moins fréquente dans l’industrie des batteries, offrent “une mouillabilité et une adhérence améliorées à l’interface solide-solide” ainsi que de ‘’meilleure tension de surface dynamique et rhéologie entraînant une amélioration des performances des électrodes et de la capacité”. Les mesures rhéologiques les ont aidés à identifier cette combinaison idéale. La rhéologie est indispensable à la conception des encres d’électrodes pour la fabrication et à la détermination des conditions de traitement admissibles.

Les chercheurs Khakani, Verdier, Lepage, Rochefort, Prébé, Aymé-Perrot et Dollé du département de chimie de l’Université de Montréal, Hutchinson et Total SA ont abordé différemment la rationalisation de la fabrication d’électrodes composites pour batteries lithium-ion en concevant un procédé sans solvant qui est plus durable sur le plan environnemental et plus rentable.³ Leur procédé à sec utilise un auxiliaire de traitement des polymères (PPA) et contourne les problèmes habituels liés au traitement des électrodes par voie humide à l’aide de solvants. Leur revêtement sec avait besoin d’un mélange homogène avec une viscosité suffisante pour recouvrir uniformément l’électrode. Un Rhéomètre Hybride Discovery (DHR) de TA Instruments a permis aux chercheurs d’optimiser leur mélange et de définir la gamme des forces de cisaillement nécessaires à l’application du mélange. Le mélange ainsi obtenu avait des propriétés viscoélastiques idéales et s’est avéré efficace lors des essais réalisés sur les cellules complètes, ouvrant la voie à une fabrication de batteries plus respectueuses de l’environnement et moins coûteuses.

Bien que la plupart des batteries commerciales utilisent des électrolytes organiques liquides, ces solvants organiques sont inflammables et ne conviennent pas à toutes les applications. Les électrolytes polymères solides (EPS) font l’objet de recherches comme alternative plus sûre avec une inflammabilité réduite et des propriétés mécaniques améliorées qui peuvent contribuer à supprimer la formation de dendrites.  

Brian Jing et Christopher Evans, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont mis au point des SPE à partir de réseaux de polymères avec des liaisons transversales covalentes dynamiques qui améliorent la sécurité et les performances de l’électrolyte de manière durable et recyclable. 4 Ils ont développé des réseaux de poly(oxyde d’éthylène) (PEO) et étudié l’effet du sel LiTFSI sur leur température de transition.  

L’un des aspects critiques de la conception réussie de matériaux de batteries est la compréhension du comportement du matériau à diverses températures. Cela est encore plus important pour les matériaux à base de PEO, pour lesquels le module peut diminuer fortement pendant le chauffage. Jing et Evans ont utilisé Rhéomètre Hybride Discovery (DHR) de TA Instruments pour déterminer les changements du module de leur SPE à base de PEO selon la température. Ils ont constaté que si le matériau devenait plus souple et plus fluide à des températures plus élevées, le module de cisaillement du matériau obtenu était supérieur à 1 MPa. Il s’agit d’une réalisation significative, car un module élevé de ces matériaux pourrait potentiellement contribuer à supprimer la formation de dendrites lors de l’utilisation finale des batteries à des températures élevées, tandis que la chimie du réseau garantit une conductivité élevée.

L’utilisation d’esters boroniques pour la formation de réticulations covalentes dynamiques leur a aussi permis de dissoudre l’électrolyte dans l’eau pure en 30 minutes et de récupérer les monomères bruts. Les électrolytes s’autorégénèrent également en cas de dommages mécaniques tout en conservant plus de 95 % de leurs propriétés conductrices et mécaniques, ce qui renforce les efforts actuels de l’industrie en faveur de matériaux recyclables pour des batteries plus durables.

Comme le démontrent ces exemples de recherche, la demande élevée de batteries lithium-ion repousse les limites de la fabrication à l’échelle mondiale, rendant encore plus critique la réflexion sur l’optimisation des processus au stade du développement des matériaux. Alors que l’innovation progresse à une vitesse fulgurante, les laboratoires du monde entier travaillent à la mise au point de batteries alliant performances et sécurité. Ces exemples illustrent à quel point la rhéologie est une technique essentielle dans la boîte à outils du scientifique pour concevoir et produire de manière efficace des batteries plus sûres et plus performantes. Les facteurs déterminants de leur recherche – fabrication plus rapide, sécurité accrue, qualités supérieures d’utilisation finale – ne disparaîtront pas. Les scientifiques spécialistes des batteries sont à même de s’inspirer des percées des autres et d’adopter leurs techniques pour continuer à améliorer la production et les produits des batteries.   

TA Instruments est fier de soutenir ces efforts avec ses rhéomètres de pointe proposant une précision de mesure inégalée tout en maintenant un haut niveau de polyvalence avec de multiples accessoires et en offrant une expérience utilisateur sans faille. Visitez notre page sur les essais de matériaux pour batteries pour en savoir plus sur les instruments qui permettront de découvrir les batteries de demain. Téléchargez notre brochure sur les essais pour batteries pour en savoir plus sur les meilleures techniques de mesure et n’hésitez pas à contacter nos experts pour connaître les meilleurs instruments pour votre laboratoire.