Electrode de batterie innovante en mousse d'étain
Les électrodes à base de métal des batteries lithium-ion promettent des capacités nettement plus élevées que les électrodes conventionnelles en graphite. Malheureusement, elles se dégradent en raison des contraintes mécaniques subies pendant les cycles de charge et de décharge. Or, une équipe du HZB montre qu'une mousse d'étain hautement poreuse peut nettement mieux amortir le stress mécanique pendant les cycles de charge. Cela rend les mousses d'étain intéressantes en tant que matériau potentiel pour les batteries au lithium.
Les batteries modernes au lithium-ion utilisent généralement une électrode en graphite multicouche, tandis que la contre-électrode est souvent en oxyde de cobalt. Lors de la charge et de la décharge, les ions lithium migrent dans le graphite sans provoquer de changements significatifs du volume du matériau. La capacité du graphite est toutefois limitée, ce qui fait de la recherche de matériaux alternatifs un domaine de recherche passionnant. Ainsi, les électrodes à base de métal, par exemple en aluminium ou en étain, offrent potentiellement une capacité plus élevée. Toutefois, elles ont tendance à se dilater considérablement en volume lors de l'absorption de lithium, ce qui entraîne des modifications structurelles et une fatigue du matériau.
Une option pour réaliser des électrodes métalliques qui se "fatiguent" moins rapidement consiste à nanostructurer les fines feuilles de métal. Une autre option consiste à utiliser des mousses métalliques poreuses. En tant que métal, l'étain est particulièrement attrayant, car il possède une capacité par kilogramme presque trois fois supérieure à celle du graphite et n'est en outre pas une matière première rare mais abondante.
Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) a étudié différents types d'électrodes en étain pendant le processus de décharge et de charge à l'aide de l'imagerie par rayons X opérationnelle, et a développé une approche innovante pour résoudre ce problème. Une partie de ces recherches a été réalisée sur la BAMline de BESSY II. En outre, des images radioscopiques à haute résolution ont été réalisées en collaboration avec les experts en imagerie Dr Nikolai Kardjilov et Dr André Hilger au HZB. "De cette manière, nous avons pu suivre les changements structurels dans les électrodes à base de métal Sn étudiées pendant les processus de charge/décharge", explique le Dr Bouchra Bouabadi, qui a mené l'étude expérimentale. En collaboration avec le Dr Sebastian Risse, expert en batteries, elle montre comment la morphologie des électrodes en étain se modifie pendant le fonctionnement en raison de l'absorption inhomogène des ions de lithium.
La meilleure variante de l'électrode en étain a été fabriquée par le Dr Francisco Garcia-Moreno : Une mousse d'étain avec d'innombrables pores de taille micrométrique. "Nous avons pu montrer que dans une telle mousse d'étain, il y a nettement moins de stress mécanique pendant la dilatation du volume", explique le Dr Risse. Cela rend les mousses d'étain intéressantes en tant que matériau potentiel pour les batteries au lithium.
Garcia-Moreno a déjà étudié de nombreuses mousses métalliques, notamment celles destinées aux composants de l'industrie automobile et les mousses d'aluminium pour les électrodes de batterie. "Les mousses d'étain que nous avons développées à l'université technique de Berlin sont très poreuses et constituent une alternative intéressante aux matériaux d'électrode traditionnels", explique-t-il. Dans ce contexte, la structuration des mousses d'étain serait décisive pour réduire au maximum les contraintes mécaniques. La technologie de la mousse d'étain pourrait également être intéressante d'un point de vue économique : "Bien que la mousse d'étain soit plus chère que les feuilles d'étain traditionnelles, elle offre une alternative moins coûteuse aux nanostructures onéreuses, tout en permettant de stocker beaucoup plus d'ions lithium et donc d'augmenter la capacité".
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Publication originale
Bouchra Bouabadi, André Hilger, Paul H. Kamm, Tillmann R. Neu, Nikolay Kardjilov, Michael Sintschuk, Henning Markötter, Thomas Schedel‐Niedrig, Daniel Abou‐Ras, Francisco García‐Moreno, Sebastian Risse; "Morphological Evolution of Sn‐Metal‐Based Anodes for Lithium‐Ion Batteries Using Operando X‐Ray Imaging"; Advanced Science, 2025-1-17
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