Les batteries de véhicules électriques pourraient bénéficier d’un grand coup de pouce avec un nouveau revêtement polymère

Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont développé un revêtement polymère conducteur – appelé HOS-PFM – qui pourrait permettre des batteries lithium-ion plus durables et plus puissantes pour les véhicules électriques.

« Cette avancée ouvre une nouvelle approche pour développer des batteries de véhicules électriques plus abordables et faciles à fabriquer », a déclaré Gao Liu, scientifique principal dans le domaine des technologies énergétiques de Berkeley Lab, qui a dirigé le développement du matériau.

Le revêtement HOS-PFM conduit à la fois les électrons et les ions. Cela garantit la stabilité de la batterie et des taux de charge/décharge élevés tout en améliorant la durée de vie de la batterie. Le revêtement est également prometteur en tant qu’adhésif de batterie qui pourrait prolonger la durée de vie d’une batterie lithium-ion d’une moyenne de 10 ans à environ 15 ans, a ajouté Liu.

Le liant conducteur HOS-PFM est constitué d’un polymère non toxique qui se transforme au niveau atomique en réponse à la chaleur. Avant chauffage : à température ambiante (20 degrés Celsius), les chaînes terminales alkyle (lignes sinueuses noires) sur la chaîne polymère PFM limitent le mouvement des ions lithium (cercles rouges). Après chauffage : lorsqu’elles sont chauffées à environ 450 degrés Celsius (842 degrés Fahrenheit), les chaînes terminales alkyle fondent, créant des sites « collants » vacants (lignes ondulées bleues) qui « s’accrochent » aux matériaux en silicium ou en aluminium au niveau atomique. Les chaînes polymères de PFM s’auto-assemblent ensuite en brins de type spaghetti appelés « structures hiérarchiquement ordonnées » ou HOS. Comme une autoroute atomique, les brins HOS-PFM permettent aux ions lithium de faire du stop avec des électrons (cercles bleus). Ces ions lithium et électrons se déplacent en synchronisme le long des chaînes polymères conductrices alignées. (Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab)

Pour démontrer les propriétés conductrices et adhésives supérieures de HOS-PFM, Liu et son équipe ont revêtu des électrodes en aluminium et en silicium avec HOS-PFM et testé leurs performances dans une configuration de batterie lithium-ion.

Le silicium et l’aluminium sont des matériaux d’électrode prometteurs pour les batteries lithium-ion en raison de leur capacité de stockage d’énergie potentiellement élevée et de leurs profils légers. Mais ces matériaux bon marché et abondants s’usent rapidement après plusieurs cycles de charge/décharge.

Au cours d’expériences à l’Advanced Light Source et à la Molecular Foundry, les chercheurs ont démontré que le revêtement HOS-PFM empêche de manière significative la dégradation des électrodes à base de silicium et d’aluminium pendant le cycle de la batterie tout en offrant une capacité de batterie élevée sur 300 cycles, un taux de performance qui est à la hauteur. avec les électrodes de pointe d’aujourd’hui.

Les résultats sont impressionnants, a déclaré Liu, car les cellules lithium-ion à base de silicium durent généralement un nombre limité de cycles de charge/décharge et une durée de vie calendaire. Les chercheurs ont récemment décrit ces découvertes dans la revue Énergie naturelle.

« Cette avancée ouvre une nouvelle approche pour développer des batteries EV qui sont plus abordables et faciles à fabriquer. » — Gao Liu, chercheur principal au Berkeley Lab, domaine des technologies de l’énergie

Les chercheurs de Berkeley Lab ont démontré que le revêtement HOS-PFM empêche de manière significative la dégradation des électrodes à base d’aluminium pendant le cycle de la batterie tout en offrant une capacité de batterie élevée sur 300 cycles. De gauche à droite : images au microscope électronique à balayage de l’aluminium sur un dispositif bicouche en cuivre avant le cycle de la batterie (figure A) et après (figure B). La figure C montre un dispositif à trois couches de cuivre avec un revêtement HOS-PFM après le cycle de la batterie. (Crédit : Gao Liu/Berkeley Lab. Avec l’aimable autorisation de Nature Energy.)

Le revêtement HOS-PFM pourrait permettre l’utilisation d’électrodes contenant jusqu’à 80 % de silicium. Une telle teneur élevée en silicium pourrait augmenter la densité énergétique des batteries lithium-ion d’au moins 30 %, a déclaré Liu. Et parce que le silicium est moins cher que le graphite, le matériau standard pour les électrodes aujourd’hui, des batteries moins chères pourraient augmenter considérablement la disponibilité des véhicules électriques d’entrée de gamme, a-t-il ajouté.

L’équipe prévoit ensuite de travailler avec des entreprises pour développer HOS-PFM pour la fabrication de masse.

La source de lumière avancée et la fonderie moléculaire sont des installations d’utilisateurs du bureau des sciences du DOE au laboratoire de Berkeley.

La recherche a été soutenue par le DOE Vehicle Technologies Office. Un financement supplémentaire a été fourni par le Toyota Research Institute. La technologie est disponible pour licence en contactant [email protected].

Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national Lawrence Berkeley. Par Thérèse Duque.

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