Révolutionner les batteries de véhicules électriques : un nouveau liant innovant double les performances

Un nouveau liant haute performance pour les électrodes à base de micro-oxyde de silicium (SiO) dans les batteries lithium-ion a été développé par des chercheurs. Il a été démontré que ce liant, appelé acide poly(vinylphosphonique) (PVPA), améliore les performances globales et la durabilité des batteries par rapport aux méthodes traditionnelles. Cette réalisation est attribuée à Noriyoshi Matsumi du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST).

Malgré leur utilisation répandue dans divers domaines, les batteries lithium-ion nécessitent encore des améliorations de leurs liants pour améliorer leurs performances et répondre à des demandes croissantes. L'oxyde de silicium (SiO), un matériau d'anode prometteur connu pour sa capacité élevée et son faible coût, présente certains défis tels qu'une mauvaise conductivité, qui entraîne des taux de charge plus lents, et une expansion significative pendant la charge. En conséquence, des liants efficaces sont essentiels pour résoudre ces problèmes et garantir des performances et une durabilité améliorées des systèmes de batteries lithium-ion.

Une étude récente publiée le 8 février 2024 dans la revue ACS Applied Energy Materials, dirigée par le professeur Noriyoshi Matsumi du JAIST avec Noriyuki Takamori, Rajashekar Badam, le Dr Tejkiran Pindi Jayakumar et des chercheurs de Maruzen Petrochemical Company Ltd., a étudié le utilisation du PVPA comme liant pour électrodes micro-SiO. Les travaux des chercheurs ont abouti à des performances supérieures à celles des cellules conventionnelles.

Le professeur Matsumi déclare : « Le liant PVPA offre une solution prometteuse pour prolonger la durée de vie des batteries secondaires lithium-ion hautes performances. C'est particulièrement le cas pour les véhicules électriques, pour lesquels il existe un fort intérêt à garantir une longue durée de vie aux batteries secondaires lithium-ion. Le PVPA offre une meilleure alternative aux liants disponibles dans le commerce comme le poly(acide acrylique) (PAA) et le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF).

L’équipe de recherche a mené une étude impliquant la création d’électrodes utilisant des liants PVPA, PAA et PVDF. Les performances de ces liants ont été évaluées par des expériences électrochimiques et la théorie de la fonctionnalité de densité. Le PVPA s'est avéré avoir une adhérence significativement plus forte (3,44 N/m) sur un support en cuivre que le PAA (2,03 N/m), ce qui conduit à une durabilité considérablement améliorée des batteries lithium-ion.

Les chercheurs ont également découvert qu’une cellule à base de PVPA offrait presque le double de la capacité de décharge d’une cellule à base de PAA après 200 cycles. De plus, la demi-cellule basée sur le PVPA a réussi à atteindre 1 300 mAhg-1SiO après le même nombre de cycles. L'utilisation de PVPA a également permis de stabiliser l'anode à base de SiO, empêchant ainsi l'exfoliation même en cas d'expansion significative du volume.

Dans le cadre d'un développement notable, le partenaire de l'étude, Maruzen Petrochemical Company Ltd., a lancé un processus de production industrielle de PVPA. Une collaboration continue avec cette société et JAIST pourrait rapprocher le liant innovant des applications pratiques. Des brevets pour cette technologie ont été déposés au Japon et à l'international, conjointement par JAIST et Maruzen Petrochemical Company Ltd.

Selon le professeur Matsumi, « ce liant industriellement viable et performant contribuera au développement de batteries très durables et à haute densité énergétique. Cela permettra une adoption plus large des véhicules électriques (VE) sans se soucier de la différenciation des performances sur une longue période. Les matériaux pourraient également être applicables à divers véhicules électriques, tels que les trains, les navires et les avions, à l’avenir. »

En résumé, un nouveau liant fonctionnel a été développé utilisant de l'acide poly(vinylphosphonique) pour les anodes à base de SiO dans les batteries lithium-ion. Ce liant abordable améliore les performances par rapport aux options traditionnelles, représentant une avancée notable pour les applications basées sur le micro-SiO dans les véhicules électriques et d'autres formats.

La référence de cette étude est : « Facile Stabilization of Microsilicon Oxide Based Li-Ion Battery Anode Using Poly(vinylphosphonic acid) » par Noriyuki Takamori, Tadashi Yamazaki, Takuro Furukawa, Tejkiran Pindi Jayakumar, Rajashekar Badam et Noriyoshi Matsumi, publié le 8 février. , 2024, dans ACS Applied Energy Materials.

Cette recherche a été financée par JST SPRING, sous le numéro de subvention JPMJSP2102.