Synthèse de biorevêtements pour des anodes graphitiques de batterie lithium-ion haute performance

Les graphites énergétiques sont des incontournables modernes de la science et ingénierie des matériaux carbone. En effet, les graphites énergétiques ont mené au succès commercial de la technologie des batteries lithium-ion, un exploit du domaine de l’énergie. À ce jour, les applications de ces batteries relèvent principalement de l’électronique portable. Cependant, il a attendu que ces dernières seront essentielles pour soutenir la venue à grande échelle du véhicule électrique et, à plus long terme, pour le stockage d’énergie de sources renouvelables.

Le principe électrochimique de base d’une batterie lithium-ion est celui de la migration réversible de lithium entre deux électrodes (l’anode et la cathode). Pour un véhicule électrique, la cathode est généralement un composé de lithium comme l’oxyde de (lithium nickel manganèse cobalt) et l’anode est une structure composite à base de graphite. Lors de l’opération de charge, le lithium migre de la cathode vers l’anode, s’intercalant entre les plans de graphènes des particules graphitiques de cette dernière. Lors de la décharge, le lithium quitte le graphite et migre vers la cathode pour reformer le composé de lithium d’origine. Ces cycles de charge/décharge peuvent être répétés à plusieurs reprises.

À moyen terme, il est attendu que le graphite conservera sa place comme matériau d’anode commerciale. Cependant, ce dernier possède toujours certaines limitations pour le design d’unités de stockage d’énergie de haute performance. Le présent projet explorera donc la possibilité d’améliorer la performance électrochimique de batterie lithium-ion à base de graphite. Il est connu que lors des premiers cycles de charge/décharge, le graphite de l’anode et le milieu transporteur de lithium de la batterie, le pont électrochimique entre l’anode et la cathode (électrolyte), subissent d’importantes interactions chimiques. Essentiellement, l’électrolyte se décompose pour former une interphase entre ce dernier et les cristallites graphitiques de l’anode. Cette interphase stabilise les interactions électrochimiques des batteries lithium-ion et explique l’excellente cyclabilité (nombre total de cycles charge/décharge pour la durée de vie du système) de ces dernières. Cependant, cette interphase réduit la vitesse de charge/décharge de ces batteries et diminue leur inventaire de lithium, limitant leur densité d’énergie relativement à l’état initial.

Pour résoudre ce problème, on protège généralement les particules graphitiques de l’anode avant les premiers cycles de charge/décharge (et donc préalablement à la formation électrochimique de l’interphase) avec des revêtements carbonés. Ces (nano)composites de carbone (revêtements + particules graphitiques) ont des moindres pertes d’inventaire de lithium et ont une performance améliorée pour leurs cycles de charge/décharge sous de fortes intensités de courant. Les pratiques industrielles existantes se basent sur des revêtements de brais de goudron de houille (angl. coal tar pitch). Cependant, ces matériaux représentent un risque pour la santé des travailleurs et pour l’environnement. Le but de la présente recherche est donc de substituer les revêtements de brais de goudron de houille des batteries lithium-ion par une résine de biomasse tout en améliorant la performance électrochimique résultante de ces batteries avec revêtement en termes d’intensités de charge/décharge et de pertes d’inventaire de lithium initiales.