Électrodes de batterie ultra-épaisses renforcées fibres carbone alignées : densité énergétique accrue

Dans un projet publié dans le numéro de juin 2020 du journal Nano Letters de l'American Chemical Society, des chercheurs du Center for Composite Materials (CCM) de l'Université du Delaware (Newark, Delaware, États-Unis) ont développé une électrode de batterie ultra-épaisse renforcée de fibres de carbone alignées verticalement. Baptisée « fiber-aligned thick » ou « FAT », cette nouvelle conception d'électrode présenterait des propriétés améliorées et serait facilement industrialisable.

« Dans une batterie, l'électrode est composée d'un matériau actif (le matériau d'électrode) et de composants inactifs (collecteurs de courant métalliques, liants polymères, matrice conductrice) », explique le Dr Kun Fu, professeur adjoint à l'Université du Delaware et auteur de l'étude. Pour améliorer la capacité spécifique d'une batterie, il faut augmenter la quantité de matériau actif et diminuer les matériaux inactifs. »

Structure FAT : canaux de transport ionique à faible tortuosité

L'électrode FAT conçue par le CCM de l'Université du Delaware incorpore des fibres de carbone courtes unidirectionnelles (UD) alignées dans le sens de l'épaisseur de l'électrode, avec le matériau actif (LiFePO₄, phosphate de fer lithié) imbriqué entre les fibres. Les pores entre les fibres de carbone forment des canaux à faible tortuosité à travers l'électrode, permettant un transport ionique rapide dans l'électrolyte liquide. « L'électrode FAT utilise des fibres de carbone alignées pour construire une structure d'électrode alignée à travers l'épaisseur avec chargement élevé en matériau actif, faible tortuosité, conductivité électrique et thermique élevée, et bonne propriété de compression », explique Fu.

« Dans ce cas, une électrode plus épaisse pourrait augmenter significativement le rapport matériau actif/inactif, pour atteindre une capacité spécifique plus élevée », ajoute-t-il. La faible tortuosité de l'électrode FAT permet une infusion rapide de l'électrolyte et un transport rapide d'électrons/ions, exhibant une rétention de capacité plus élevée et une résistance de transfert de charge plus faible que les électrodes épaisses conventionnelles coulées en boue. »

Fabrication évolutive et bas coût

En plus des propriétés améliorées et de la capacité accrue, les chercheurs affirment que la méthode de fabrication est facilement évolutive et à bas coût, impliquant une encre d'électrode aqueuse et un renforcement par membrane de fibres de carbone découpée et roulée. Pour fabriquer l'électrode, la membrane de fibres de carbone, préchargée avec le matériau actif, est enroulée en forme cylindrique puis coupée perpendiculairement à la direction axiale des fibres. Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour fabriquer une électrode de 18 mm de diamètre et 55 mm de hauteur pour une utilisation potentielle dans des cellules cylindriques 18650.

Ensuite, les chercheurs prévoient d'appliquer le cadre de fibres de carbone alignées à la conception d'anodes, batteries à l'état solide, et batteries Li-S et Li-O₂, selon Fu, avec des utilisations potentielles pour batteries de véhicules électriques, électronique ou stockage d'énergie réseau.

Pour accéder à l'étude, consulter la publication numérique Nano Letters.