Quels sont les composants de la batterie ?
Une batterie lithium-ion s’apparente à un sandwich comprenant une électrode positive, une électrode négative (plus communément appelées, respectivement, cathode et anode) ainsi qu’un séparateur placé entre les deux électrodes.
L’électrolyte est un liquide organique qui permet la circulation des ions lithium entre les pôles.
Quel est le rôle du séparateur au sein d’une batterie ?
Cet électrolyte est contenu dans une membrane microporeuse, le séparateur, qui joue un double rôle.
D’une part, le séparateur empêche les électrodes d’entrer en contact physique, ce qui génèrerait un court-circuit interne.
D’autre part, il laisse circuler les ions lithium d’une électrode à l’autre au sein de l’électrolyte.
Les défis techniques pour la batterie
Les batteries font face à d’importants challenges techniques, car de plus en plus impliquées dans nos vies de tous les jours. Par exemple en 2021, un Français utilisait en moyenne 21 batteries ou objets équipés d’une batterie par an.
Parmi les paramètres exigeants, la sûreté et stabilité de la batterie sont incontournables pour des raisons évidentes. Mais ces défis sont loin d’être les seuls.
Nous pouvons ajouter à la liste le fait que les batteries doivent offrir des densités énergétiques et de puissance toujours plus élevées (quantité d’énergie embarquée dans un volume donné), avec un bon rapport coût-efficacité et tout en étant durable (nombre de cycles de charge élevé). La fin de vie de la batterie doit aussi faire partie de l’équation ; va-t-elle être réutilisable, quel est son taux de recyclabilité ?
Tous ces défis techniques représentent les principaux axes d’innovation dans la filière.
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Zoom sur le séparateur
Sur le marché, on trouve des séparateurs polymère ayant été développé avec une stabilité mécanique et électrochimique suffisante. Ils présentent également une haute porosité.
Cependant, ces séparateurs de type polyoléfine souffrent d’une pauvre affinité électrolytique due à leur caractère hydrophobe. De plus, leur point de fusion relativement bas induit une faible intégrité de structure thermique. En fin de compte, cela peut mener à un court-circuit interne et à un emballement thermique.
C’est pourquoi de nouveaux projets sont en train d’émerger. Par exemple, garnir la polyoléfine avec des particules de haute stabilité thermique, telles qu’une alumine (charge de Al2O3), montre une réduction notoire du retrait thermique.
En effet, le coating (ou revêtement) céramique est une approche alternative. On parle ici de séparateurs à revêtement céramique (ceramic-coated separators – CCSs).
Qu’apportent les oxydes comme l’alumine ultra pure à la batterie ?
En apposant un revêtement céramique – composé de particules céramique et de liant – sur le film de base en polyoléfine, on obtient un retrait thermique drastiquement réduit.
De plus, la propriété de surface hydrophile des particules céramique et la haute porosité des CCSs peuvent apporter respectivement une mouillabilité additionnelle à l’électrolyte ainsi qu’un transport efficace ions lithium. La performance électrochimique de la batterie se voit ainsi augmentée. Par ailleurs, non seulement l’ajout d’un revêtement céramique est viable pour la production à grand échelle, mais c’est aussi la façon la plus efficace de fabriquer des séparateurs à moindre coût tout en étant le candidat idéal pour développer des séparateurs à sécurité renforcée.
Le séparateur, chargé avec des particules Al2O3 ou recouvert d’une couche d’alumine, peut être assimilé à un réseau poreux dans lequel la phase continue serait l’électrolyte.
Les ions Li+ se déplacent à l’intérieur du réseau poreux pour atteindre les électrodes de la batterie.
L’ensemble [séparateur polymère – particules d’Al2O3 – pores] conditionnent toutes les propriétés recherchées pour un séparateur.
C’est donc raisonnable d’affirmer que tout intrant exerçant une influence sur les caractéristiques du réseau poreux affectera les propriétés et les fonctionnalités du séparateur.
Pourquoi utiliser des produits Baikowski pour vos projets batterie ?
Nous savons que nos oxydes peuvent influencer les paramètres cités précédemment, tout comme les propriétés générales du séparateur à savoir sa porosité, sa perméabilité, sa haute stabilité thermique et sa résistance. C’est pourquoi Baikowski a développé des alumines ultra pures aux propriétés hautement contrôlées :
- Distribution de taille de particule
- Taux de particules fines
- Volume des pores
- Distribution des pores
- Potentiel zêta
- Pureté chimique
En effet, nous sommes conscients que certains paramètres de la poudre peuvent être décisifs pour leur implémentation dans le process client :
- Coulabilité de la poudre
- Pulvérulence
- Dispersibilité de la poudre en phase continue
- Viscosité pour un taux de charge donné
- « Durée de vie » du mélange (évolution de la viscosité en fonction du temps)
A travers nos produits hautement contrôlés, nous souhaitons offrir la meilleure solution technique pour le séparateur final. En fin de compte, notre client peut avoir la main sur d’intéressantes caractéristiques nécessaires à un séparateur optimal :
- Epaisseur de la couche d’Al2O3 (ou du séparateur fini)
- Densité du séparateur chargé comparé au séparateur vierge
- Potentiel d’absorption de l’électrolyte
- Qualité d’adhésion de la couche d’alumine déposée en surface (cas du coating).
Nous développons également de l’alumine de haute pureté du surface spécifique élevée, adapté au coating sur cathode et anode.
D’autres recherches sont en cours pour l’utilisation d’oxydes fins dans les batteries. Par exemple, l’électrolyte solide, et plus précisément l’électrolyte polymère solide (SPE) sont en cours de développement. L’emploi de l’alumine de haute pureté dans cette technologie naissante semble présenter un potentiel intéressant.
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Souhaitant faire un pas de plus dans le domaine des batteries, Baikowski est entré dans le BEPA en 2021. Cette association liée au partenariat européen sur les batteries regroupe toutes les parties prenantes de la batterie de la Communauté de Recherche Européenne.