Dans le domaine de la recherche fondamentale sur les batteries lithium-ion, « le manque de reproductibilité des données expérimentales et l’absence de critères de sélection des électrodes » constituent depuis longtemps des obstacles majeurs pour les chercheurs. Récemment, une avancée significative a été réalisée grâce à une étude portant sur la standardisation des paramètres de électrodes en carbone vitreux (GCE) pour les batteries lithium-ion. Après avoir testé systématiquement des GCE de différentes spécifications allant de 2 mm à 6 mm, l'équipe de recherche a confirmé pour la première fois que GCE avec un diamètre de noyau interne de 3 mm Ce dispositif présente des performances optimales en termes d'efficacité de transport des ions lithium, de stabilité cyclique et de compatibilité d'interface. Son taux de rétention de capacité atteint 88,6 % à un taux de charge/décharge élevé de 5C, et l'atténuation des performances n'est que de 14,3 % après 1 000 cycles. Cette avancée constitue la première référence normalisée des paramètres d'électrode pour la recherche en laboratoire sur les batteries lithium-ion et devrait améliorer significativement l'efficacité de la recherche industrielle.

1. Résoudre le « chaos des tailles » : un noyau interne de 3 mm s’avère optimal après comparaison de 5 spécifications

« Auparavant, pour choisir les électrodes de carbone vitreux (ECV) en laboratoire, les chercheurs se fiaient principalement à leur expérience ou aux recommandations des fournisseurs, et les données mesurées par des électrodes de tailles différentes étaient souvent contradictoires », explique le professeur Zhang Ming, chef de l’équipe de recherche et expert en ingénierie des matériaux. En tant que support principal pour les tests électrochimiques des batteries lithium-ion, les paramètres dimensionnels de GCE Le diamètre du noyau interne, la structure du boîtier et les spécifications du connecteur influent directement sur l'efficacité de l'intercalation/désintercalation des ions lithium et sur la stabilité des réactions interfaciales. Cependant, la corrélation entre ces paramètres et les performances n'a longtemps fait l'objet d'aucune recherche systématique.

Pour combler cette lacune, l'équipe de recherche a mis en place un système de test complet. Elle a sélectionné cinq spécifications courantes d'électrodes de carbone vitreux (GCE) disponibles sur le marché (avec des diamètres de noyau interne de 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm et 6 mm, associées à des boîtiers en PTFE de 6 mm × 80 mm à 10 mm × 80 mm et des connecteurs en cuivre de 2 mm × 15 mm/20 mm) et a mené des expériences comparatives selon trois dimensions : la microstructure, la conductivité électrique et les performances électrochimiques.

Les observations au microscope électronique à balayage (MEB) ont révélé que la structure poreuse de l'électrode à noyau interne de 3 mm était uniforme et dense : la taille des pores était concentrée entre 5 et 20 nm, et la surface spécifique atteignait 326 m²/g, offrant ainsi un environnement idéal avec des canaux suffisamment larges et non obstrués pour l'intercalation/désintercalation des ions lithium. En revanche, l'électrode à noyau interne de 2 mm présentait des pores plus petits (2 à 10 nm) en raison du retrait dû à la carbonisation, sa surface spécifique chutant à 258 m²/g et limitant l'espace de diffusion des ions lithium. L'électrode à noyau interne de 6 mm, quant à elle, subissait une agglomération des pores (30 à 50 nm) due à une conduction thermique inégale, ce qui se traduisait par une surface spécifique de seulement 212 m²/g et même une rétention locale des ions lithium.

« Le test de conductivité a confirmé les avantages de la spécification de 3 mm », a déclaré le Dr Li Na, membre de l'équipe, lors de la présentation des données expérimentales. La conductivité à température ambiante de l'électrode à noyau interne de 3 mm a atteint 285 S/cm, soit une valeur nettement supérieure à celle des spécifications de 2 mm (242 S/cm), 4 mm (268 S/cm), 5 mm (255 S/cm) et 6 mm (231 S/cm). « Un noyau interne trop petit réduit le trajet de collecte du courant, tandis qu'un noyau trop grand entraîne une répartition inégale de la résistance interne. Seule la dimension de 3 mm permet d'équilibrer l'efficacité du transfert d'électrons et la stabilité structurelle. »

2. Performances impressionnantes lors des tests réels : respect des normes de performance à haute cadence et à longue durée de vie, avec des réactions d’interface plus stables.

Lors des tests des indicateurs de performance de base des batteries lithium-ion, les performances de l'électrode centrale interne de 3 mm ont encore davantage mis en évidence son « statut de référence ».

Lors du test de charge-décharge à courant constant, à un taux de 0,1 C (mode de charge-décharge lent), la capacité spécifique de première décharge de l'électrode à noyau interne de 3 mm a atteint 148 mAh/g avec une efficacité coulombique de 89,2 %, soit une augmentation de plus de 30 % par rapport à la spécification de 6 mm (112 mAh/g, 82,5 %). Lorsque le taux a été augmenté à 5 C (mode de charge-décharge rapide), son taux de rétention de capacité est resté élevé, à 88,6 %, tandis que les spécifications de 2 mm et 6 mm n'atteignaient que 75,3 % et 62,1 % respectivement. Ceci indique que cette spécification d'électrode est plus adaptée à la recherche sur les batteries lithium-ion à haute vitesse de charge/décharge.

« La stabilité cyclique est un autre axe de recherche essentiel en laboratoire », a expliqué le Dr Li Na. L'équipe a réalisé un test de 1 000 cycles sur cinq spécifications d'électrodes à un taux de charge/décharge de 1C. Les résultats ont montré que le taux de rétention de capacité de l'électrode à noyau interne de 3 mm était de 85,7 %, la résistance de transfert de charge (Rct) de seulement 85 Ω et l'augmentation de la résistance après cyclage de seulement 15 %, bien inférieure à celle des autres spécifications (20 % à 35 %). « Ceci est dû à sa structure poreuse uniforme, qui peut inhiber la croissance excessive du film SEI (film d'interface électrolyte solide) et réduire l'augmentation de l'impédance interfaciale. La stabilité du film SEI est précisément le facteur clé qui influe sur la durée de vie des batteries lithium-ion. »

Les tests de voltampérométrie cyclique (VC) ont également révélé que l'électrode à noyau interne de 3 mm présentait la symétrie optimale des pics redox, avec une différence de potentiel de pic de seulement 0,18 V, indiquant une bonne réversibilité de la cinétique d'intercalation/désintercalation des ions lithium. L'analyse par spectroscopie photoélectronique X (XPS) a par ailleurs confirmé que sa teneur en oxygène de surface (4,8 %) était modérée, ce qui favorise la formation uniforme du film SEI. L'électrode à noyau interne de 2 mm présentait une teneur en oxygène relativement élevée (6,2 %), ce qui entraînait facilement une oxydation excessive du film SEI, tandis que l'électrode à noyau interne de 6 mm présentait une faible teneur en oxygène (3,1 %), ce qui se traduisait par une stabilité insuffisante du film SEI.

3. Maintenance rentable : taux de récupération des performances supérieur à 95 % grâce au polissage et durée de vie prolongée grâce à l’absence de nettoyage par ultrasons.

Outre ses avantages en termes de performances, la « facilité d'entretien » de l'électrode à noyau interne de 3 mm offre également une nouvelle façon de réduire les coûts pour les laboratoires.

L'équipe de recherche a appliqué un procédé de polissage et de réparation à l'électrode centrale de 3 mm, dont les performances s'étaient dégradées après 1 000 cycles, à l'aide de poudre d'alumine de 0,05 µm. Les résultats ont montré que la morphologie de surface de l'électrode était entièrement restaurée à son état initial et que sa conductivité électrique avait retrouvé 278 S/cm (soit un taux de récupération de 97,5 %). À un taux de charge/décharge de 1C, la capacité de première décharge a atteint 142 mAh/g, avec un taux de récupération de 95,9 %, et le taux de rétention de capacité était encore de 92,3 % après 100 cycles.

« Auparavant, certains laboratoires avaient l'habitude de nettoyer les électrodes par ultrasons, sans se rendre compte que cela endommageait la structure poreuse du noyau interne en carbone vitreux », a averti le professeur Zhang Ming. Des expériences ont confirmé qu'une méthode de maintenance consistant à « éviter le nettoyage par ultrasons et à effectuer un polissage régulier » permet de multiplier par deux ou trois la durée de vie de l'électrode à noyau interne de 3 mm par rapport à la méthode traditionnelle. « Compte tenu de la fréquence d'utilisation habituelle des laboratoires, le coût annuel de maintenance par électrode peut être réduit de plus de 60 %. »

Il convient de noter que l'étude a également précisé les scénarios d'utilisation pour différentes spécifications d'électrodes : pour les recherches sur les performances à haute vitesse, il est préférable d'utiliser une électrode à noyau interne de 3 mm ; pour l'étude des mécanismes de réaction à l'interface, une électrode à noyau interne de 2 mm peut être utilisée (en raison de sa teneur élevée en oxygène en surface, qui facilite l'observation de la formation du film SEI) ; et pour les tests à courant élevé, il est recommandé d'utiliser un connecteur en cuivre de 2 mm × 20 mm (afin d'améliorer la stabilité mécanique). Ceci fournit aux chercheurs un guide clair pour le choix des électrodes en fonction de leurs besoins.

4. Attentes de l'industrie : promouvoir une application standardisée et accélérer l'évolution technologique des batteries lithium-ion

« L’intérêt majeur de cette recherche réside dans l’établissement d’un référentiel commun pour la recherche fondamentale sur les batteries lithium-ion », a commenté Wang Hao, ingénieur principal à l’Association chinoise de l’industrie des batteries. Pendant longtemps, l’incompatibilité des données expérimentales, due à l’hétérogénéité des paramètres des électrodes à noyau de carbone vitreux (GCE), a non seulement engendré un gaspillage de ressources de recherche, mais a également freiné les avancées technologiques. « La normalisation des paramètres de l’électrode à noyau interne de 3 mm devrait devenir une norme recommandée par l’industrie, permettant ainsi la comparaison des résultats de recherche des différents laboratoires et accélérant le développement technologique. »

Actuellement, l'équipe de recherche collabore avec plusieurs fabricants d'électrodes chinois afin de développer des électrodes de carbone vitreux (ECV) standardisées, basées sur les résultats de leurs recherches. Ces ECV devraient être livrées en grande quantité aux laboratoires au cours du premier trimestre de l'année prochaine. « Nous nous concentrerons ensuite sur le contrôle de l'uniformité des électrodes à noyau interne de grande taille. En améliorant le processus de chauffage par carbonisation, nous résoudrons le problème de conduction thermique inégale des électrodes de 6 mm. Parallèlement, nous développerons un équipement de polissage automatisé afin d'optimiser leur utilisation en laboratoire », a révélé le professeur Zhang Ming.