Un nouveau processus cherche à empêcher la perte d'énergie irréversible dans les batteries

Souvent, lorsqu'une batterie dit qu'elle est complètement chargée, la capacité n'est souvent qu'à 70-90% de la densité d'énergie théorique qui peut être stockée, en raison de la perte permanente d'ions Li qui peut se produire pendant la phase de formation de la production de la batterie.

Dans le but de surmonter ce problème et d'éviter cette perte initiale d'ions Li, des scientifiques de l'Institut coréen des sciences et Technologie (KIST) ont développé une solution de prétraitement des électrodes capable de minimiser cette perte initiale d'ions Li dans les anodes composites graphite-oxyde de silicium (SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5).

Après avoir été plongée dans la solution, l'anode, qui était composée à 50 % de SiOx, a présenté une perte de Li négligeable, permettant à une cellule entière de présenter une densité d'énergie presque idéale.

La plupart des batteries Li commerciales utilisent une anode en graphite, mais le SiOx a suscité une attention particulière en raison de sa capacité élevée, qui est 5 à 10 fois supérieure à celle du graphite. Cependant, le SiOx consomme également de manière irréversible trois fois plus de Li actif que le graphite. En conséquence, une électrode composite, constituée d'un mélange de graphite et de SiOx, a été promue comme alternative aux anodes pratiques de nouvelle génération.

Alors qu'il y avait une augmentation correspondante de la capacité des électrodes composites graphite-SiOx à des rapports plus élevés de SiOx, il y avait aussi une augmentation de la perte de Li initial. En conséquence, le rapport de teneur en SiOx dans une électrode composite graphite-SiOx devait être limité à 15 %, car augmenter le rapport à 50 % entraînerait une perte initiale de Li de 40 %.

Pour contrer cela, l'équipe de recherche du KIST a développé un processus dans lequel l'électrode est plongée dans une solution unique pour atténuer la consommation de Li par l'électrode SiOx. L'équipe a ensuite appliqué ce procédé à un matériau composite graphite-SiOx avec un potentiel de commercialisation important.

L'équipe a découvert que les solutions de prétraitement développées précédemment provoqueraient l'insertion involontaire de molécules de solvant avec des ions Li dans le graphite, en raison de la capacité d'intercalation polyvalente du graphite. Cette intercalation de grosses molécules de solvant a entraîné la rupture structurelle de l'électrode composite graphite-SiOx. Pour éviter la défaillance des électrodes, les chercheurs ont développé une solution alternative utilisant un solvant faiblement solvatant pour réduire l'interaction entre le solvant et les ions Li. Cette solution a permis l'insertion sélective d'ions Li dans les matériaux actifs, assurant un apport stable de Li supplémentaire à l'électrode composite graphite-SiOx.

La consommation initiale de Li a été complètement évitée après que l'électrode graphite-SiOx ait été immergée dans la solution développée par l'équipe de recherche pendant environ 1 minute, même à un rapport SiOx de 50 %. Par conséquent, l'électrode a montré une efficacité initiale élevée de près de 100 %, indiquant une perte de Li négligeable (≤ 1 %) dans la charge initiale. Les électrodes développées grâce à ce processus avaient une capacité 2.6 fois supérieure à celle des anodes en graphite conventionnelles, tout en maintenant également 87.3 % de la capacité initiale après 250 cycles de charge/décharge.

Selon le Dr Minah Lee du KIST, « à la suite de cette étude, nous devrions être en mesure d'augmenter la teneur en SiOx dans les anodes composites graphite-SiOx à plus de 50 %, par rapport au ratio de 15 % autorisé par les matériaux conventionnels, ce qui rend il est possible de produire des batteries lithium-ion avec une plus grande capacité et d'améliorer le kilométrage des futurs VE.

Le Dr Jihyun Hong, co-chercheur au KIST, a ajouté : « La technologie est sûre et adaptée à la production de masse, et est donc susceptible d'être commercialisée.