Électrode de batterie innovante en mousse d'étain

Les électrodes à base de métal dans les batteries lithium-ion promettent des capacités nettement supérieures à celles des électrodes en graphite conventionnelles. Malheureusement, ils se dégradent en raison des contraintes mécaniques lors des cycles de charge et de décharge. Une équipe de HZB a désormais démontré qu’une mousse hautement poreuse en étain peut absorber beaucoup mieux les contraintes mécaniques lors des cycles de charge. Cela rend les mousses d’étain intéressantes comme matériau potentiel pour les batteries au lithium.

Les batteries lithium-ion modernes 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 de volume significatifs dans le matériau. Cependant, la capacité du graphite est limitée, ce qui fait de la recherche de matériaux alternatifs un domaine de recherche passionnant. Les électrodes à base de métal, telles que celles en aluminium ou en étain, offrent potentiellement une capacité plus élevée. Cependant, lorsque le lithium est absorbé, son volume a tendance à augmenter considérablement, ce qui est associé à des changements structurels et à la fatigue des matériaux.

Une option pour créer des électrodes métalliques qui se fatiguent moins rapidement est la nanostructuration des fines feuilles métalliques. Une autre option est l’utilisation de mousses métalliques poreuses. En tant que métal, l’étain est particulièrement intéressant car il a une capacité par kilogramme presque trois fois supérieure à celle du graphite et n’est pas une matière première rare mais disponible en abondance.

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 en utilisant l'imagerie à rayons X operando et a développé une approche innovante pour résoudre ce problème. Une partie de ces enquêtes a eu lieu sur la ligne BAM de BESSY II. De plus, des images radioscopiques à rayons X à haute résolution ont été prises en collaboration avec les experts en imagerie, le Dr. Nikolai Kardjilov et le Dr. André Hilger au HZB. « De cette manière, nous avons pu suivre les changements structurels dans les électrodes à base de métal Sn étudiées au cours des processus de charge/décharge », explique le Dr. Bouchra Bouabadi, qui a mené l’étude expérimentale. En collaboration avec l'expert en batteries Dr. Sebastian Risse montre comment la morphologie des électrodes en étain change pendant le fonctionnement en raison de l'absorption inhomogène des ions lithium.

La meilleure version de l'électrode en étain a été fabriquée par le Dr. Francisco Garcia-Moreno : Une mousse d’étain avec d’innombrables pores de la taille d’un micromètre. « Nous avons pu démontrer que dans une telle mousse d'étain, les contraintes mécaniques lors de l'expansion du volume sont nettement moindres », explique le Dr. fissures. Cela rend les mousses d’étain intéressantes comme 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 la TU Berlin sont très poreuses et constituent une alternative intéressante aux matériaux d’électrodes traditionnels », explique-t-il. La structuration des mousses d’étain est cruciale pour maximiser la réduction des 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 la feuille d'étain classique, elle offre une alternative plus rentable à la nanostructuration coûteuse, tout en étant capable de stocker beaucoup plus d'ions lithium, permettant ainsi une augmentation de la capacité. »