Une nouvelle structure tridimensionnelle légère développée par des chercheurs améliore le transport des ions lithium dans les batteries, démontrant une stabilité et une densité énergétique améliorées, avec un potentiel d'application industrielle.
Une nouvelle structure polymère tridimensionnelle développée par les chercheurs de POSTECH et KIER améliore considérablement le transport des ions lithium et les performances de la batterie, ce qui est très prometteur pour une commercialisation future.
Tout comme les panneaux routiers indiquent aux voyageurs des directions et des distances pour éviter qu’ils ne se perdent, les « panneaux » dans certains contextes offrent des conseils similaires. Récemment, dans le domaine de la chimie, des structures remplissant un rôle comparable ont été identifiées, suscitant un intérêt considérable au sein de la communauté universitaire.
Professeur Soojin Park et Dong-Yeob Han, doctorant, du Département de chimie de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), en collaboration avec le Dr Gyujin Song de l'Institut coréen de recherche énergétique (KIER) et une équipe de chercheurs de POSCO N.EX.T HUB a développé une structure polymère tridimensionnelle. Cette structure légère facilite le transport des ions lithium (Li). Leurs recherches ont été récemment publiées dans l'édition en ligne de la revue internationale Advanced Science.
Avancées dans la technologie des batteries
La technologie des batteries utilisée dans les appareils électroniques tels que les véhicules électriques et les smartphones continue d’évoluer. Notamment, les anodes au lithium métal ont une capacité énergétique de 3 860 mAh/g, soit plus de dix fois celle des anodes en graphite actuellement commercialisées. Les anodes au lithium métallique peuvent stocker plus d'énergie dans un espace plus petit et, contrairement au graphite ou au silicium, peuvent participer directement aux réactions électrochimiques en tant qu'électrodes.
Cependant, pendant le processus de charge et de décharge, la répartition inégale des ions lithium crée des zones appelées « Li mort », ce qui réduit la capacité et les performances de la batterie. De plus, lorsque le lithium croît dans une direction, il peut atteindre la cathode du côté opposé, provoquant un court-circuit interne. Bien que des recherches récentes se soient concentrées sur l'optimisation du transport du lithium dans des structures tridimensionnelles, la plupart de ces structures reposent sur des métaux lourds, ce qui compromet considérablement la densité énergétique par poids de la batterie.

Représentation schématique de la géométrie interne de la structure hybride après électrodéposition du lithium. Crédit : POSTECH
Structure tridimensionnelle innovante pour anodes
Pour résoudre ce problème, l’équipe a développé une structure poreuse hybride utilisant de l’alcool polyvinylique, un polymère léger ayant une forte affinité pour les ions lithium, combiné à des nanotubes de carbone à paroi unique et des sphères de nanocarbone.
Cette structure est plus de cinq fois plus légère que les collecteurs en cuivre (Cu) généralement utilisés dans les anodes de batteries et présente une forte affinité pour les ions lithium, facilitant leur migration à travers les espaces de la structure poreuse tridimensionnelle et permettant une électrodéposition uniforme du lithium.
Lors d'expériences, les batteries à anode métallique au lithium incorporant la structure tridimensionnelle de l'équipe ont démontré une grande stabilité après plus de 200 cycles de charge-décharge et ont atteint une densité d'énergie élevée de 344 Wh/kg (énergie par rapport au poids total de la cellule). Notamment, ces expériences ont été menées à l’aide de cellules en forme de poche, qui sont représentatives des applications industrielles réelles, plutôt que de cellules boutons à l’échelle du laboratoire, soulignant le fort potentiel de commercialisation de cette technologie.
Le professeur Soojin Park de POSTECH a exprimé l'importance de la recherche en déclarant : « Cette recherche ouvre de nouvelles possibilités pour maximiser la densité énergétique des batteries au lithium métal. » Le Dr Gyujin Song du KIER a souligné : « Cette structure, qui combine des propriétés légères avec une densité énergétique élevée, représente une percée dans la future technologie des batteries. »
La recherche a été menée avec le soutien d'un projet du ministère des Sciences et des TIC.