Des électrodes de batterie plus épaisses et renforcées de fibres de carbone peuvent activer des batteries haute densité

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

« Dans une batterie, l'électrode est composée d'un matériau actif (le matériau de l'électrode) et de composants inactifs (par exemple, des collecteurs de courant métalliques, des liants polymères et une matrice conductrice) », explique le Dr Kun Fu, professeur adjoint à l'Université du Delaware. et un auteur de l'étude. Afin d'améliorer la capacité spécifique d'une batterie, dit-il, la quantité de matière active doit être augmentée et les matières inactives diminuées.

L'électrode FAT conçue par le Centre des matériaux composites de l'Université du Delaware incorpore des fibres de carbone courtes unidirectionnelles (UD) alignées dans la direction de l'électrode, avec le matériau d'électrode actif (LiFePO₄ , ou phosphate de fer lithium) noyé entre les fibres. Les pores entre les fibres de carbone forment des canaux à faible tortuosité à travers l'électrode, permettant un transport rapide des ions dans l'électrolyte liquide. "L'électrode FAT utilise des fibres de carbone alignées pour construire une structure d'électrode alignée sur toute l'épaisseur avec des caractéristiques de charge élevée en matériau d'électrode, une faible tortuosité, une conductivité électrique et thermique élevée et une bonne propriété de compression", explique Fu.

« Dans ce cas, une électrode plus épaisse pourrait augmenter considérablement le rapport matière active/matière inactive, pour atteindre une capacité spécifique plus élevée », ajoute-t-il. La faible tortuosité de l'électrode FAT permet une infusion rapide d'électrolyte et un transport rapide des électrons/ions, présentant une capacité de rétention plus élevée et une résistance de transfert de charge plus faible que la conception d'électrode épaisse coulée en suspension conventionnelle.

En plus de propriétés améliorées et d'une capacité plus élevée, les chercheurs affirment que la méthode de fabrication est facilement évolutive et produite à faible coût, impliquant une encre d'électrode aqueuse et un renfort de membrane en fibre de carbone découpée et laminée. Pour fabriquer l'électrode, la membrane en fibre de carbone, préalablement chargée en matériau actif d'électrode, est enroulée en une forme cylindrique puis découpée perpendiculairement à la direction axiale des fibres. Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour fabriquer une électrode de 18 millimètres de diamètre et d'une hauteur de 55 millimètres pour une utilisation potentielle dans 18650 cellules de batterie cylindriques.

Ensuite, les chercheurs prévoient d'appliquer le cadre en fibre de carbone aligné à la conception d'anodes, aux batteries à semi-conducteurs et au Li-S et Li-O₂ les batteries, dit Fu, et les utilisations potentielles incluent les batteries pour les véhicules électriques, l'électronique ou le stockage d'énergie du réseau.

Pour accéder à l'étude, rendez-vous sur les Nano Letters publication numérique.