Les batteries pourraient durer beaucoup plus longtemps grâce à cet nouvel additif pour le graphite.
L’un des grands défis actuels des batteries réside non seulement dans l’augmentation de leur capacité, mais aussi dans le fait de les rendre résistantes aux cycles et au temps. Un groupe de chercheurs japonais a maintenant trouvé un moyen d’améliorer cet aspect en utilisant un nouvel additif qui agit sur la surface du graphite, l’un des matériaux les plus utilisés dans les électrodes des batteries.
L’équipe du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) a développé un composé appelé imine de pentafluorophényle et thiophène, connu sous le nom de FPTI. Sa fonction est d’améliorer la couche protectrice qui se forme sur le graphite au cours des premiers cycles de charge, et qui est essentielle pour contrôler le vieillissement de la batterie.
Le résultat le plus frappant apparaît après 1 000 cycles. Les cellules testées avec une concentration de 4 milligrammes de FPTI par millilitre ont réussi à conserver 95,6 % de leur capacité, tandis que les cellules sans additif n’ont atteint que 62,7 %. Avec une concentration inférieure, de 2 milligrammes par millilitre, la capacité conservée était de 89,4 %.
La clé se trouve dans une zone de la batterie qui reste généralement inaperçue. Lors des premières charges, une couche appelée interface d’électrolyte solide, ou SEI, se forme sur le graphite. Cette pellicule permet le déplacement des ions de lithium, mais limite en même temps certaines réactions chimiques qui pourraient accélérer la dégradation de la cellule.
Lorsque cette couche perd en stabilité, la résistance interne augmente et une partie du lithium actif de la batterie est consommée. Le résultat est une perte progressive de capacité. Ce que cherchent les chercheurs japonais, c’est précisément à rendre cette protection plus stable dès le départ.
Un additif qui crée une couche protectrice plus résistante
Le FPTI a été conçu pour réagir durant les premières phases de fonctionnement avant les autres composants de l’électrolyte. Cela permet de créer une couche protectrice plus stable sur le graphite. L’analyse menée par l’équipe a également révélé une forte présence de fluorure de lithium dans cette couche, tandis que d’autres composants provenant du soufre et du groupe imine du composé participent également à sa formation.
L’effet peut être mesuré directement sur la résistance interne de la cellule. Avec une concentration plus élevée de FPTI, la résistance de la couche protectrice est passée de 7,6 ohms dans la cellule de référence à seulement 2,2 ohms. La résistance liée au transfert de charge a également diminué, passant de 41,8 à 19,8 ohms, tandis que le mouvement des ions de lithium s’est amélioré.
Cependant, c’est lors du test de durée que la différence devient la plus significative. Après 1 000 cycles, la cellule sans FPTI conservait 62,7 % de sa capacité de référence, tandis que celles traitées avec 2 et 4 milligrammes par millilitre maintenaient respectivement 89,4 % et 95,6 %. De plus, les cellules sans additif ont commencé à présenter une perte de capacité particulièrement importante à partir d’environ 350 cycles.
Les chercheurs ont ensuite voulu vérifier si le même principe pouvait être appliqué à une batterie complète, en utilisant un électrode positif NMC811 et un électrode négatif en graphite. C’est là qu’une limite importante est apparue : l’ajout direct de FPTI à l’électrolyte de toute la batterie n’a pas fonctionné correctement, car cela augmentait la résistance à l’électrode positive et nuisait aux performances.
La solution a consisté à utiliser ce composé uniquement pour traiter au préalable l’électrode en graphite. D’abord, une couche protectrice améliorée a été formée sur le graphite à l’aide du FPTI, puis la batterie complète a été assemblée en utilisant un électrolyte conventionnel, sans conserver l’additif dans toute la cellule.
Le résultat a également été significatif. La batterie complète utilisant du graphite traité avec 4 milligrammes par millilitre de FPTI a atteint une densité énergétique d’environ 233 Wh/kg, contre environ 192 Wh/kg avec un traitement de 2 milligrammes par millilitre et environ 130 Wh/kg dans la configuration de référence.
La recherche montre ainsi qu’il n’est pas toujours nécessaire de remplacer le graphite par un matériau entièrement nouveau pour améliorer la durée de vie d’une batterie. Dans ce cas, l’objectif est de mieux contrôler ce qui se passe à sa surface et d’éviter que des réactions secondaires ne détériorent progressivement l’électrode à chaque cycle.
Cela dit, il reste encore beaucoup de travail avant d’envisager son utilisation dans les voitures électriques. Le résultat de 95,6 % a été obtenu principalement dans des cellules de test au graphite et au lithium, tandis que l’essai avec une batterie complète a été réalisé grâce à un traitement préalable de l’électrode négative. Les chercheurs eux-mêmes indiquent qu’il faudra effectuer des essais avec des cellules de plus grande taille et dans des conditions de fonctionnement plus proches de celles en usage commercial.
L’importance du travail réside donc davantage dans le chemin qu’il ouvre que dans une application immédiate. Si cette stratégie parvient à fonctionner à l’échelle industrielle, elle pourrait permettre d’améliorer la durée de vie des batteries utilisant des matériaux déjà connus, sans avoir besoin de modifier complètement leur composition. Et cela pourrait être intéressant tant pour les voitures électriques que pour d’autres systèmes de stockage qui doivent supporter des centaines ou des milliers de cycles sans perdre trop de capacité.