Les liants sont les héros méconnus de la fabrication des électrodes de batteries : bien qu’ils ne représentent généralement que 2 à 5 % de la masse totale d’une électrode, leur impact sur les performances, la stabilité et la facilité de production à grande échelle des batteries est considérable. Dans les laboratoires de recherche sur les batteries, les chercheurs utilisent une gamme variée de liants pour relever les défis spécifiques posés par les nouveaux matériaux d’électrodes (par exemple, les composés à base de silicium, de soufre ou de sodium) et les technologies de batteries de nouvelle génération (lithium-ion, sodium-ion, à l’état solide). Ces matériaux polymères ou biopolymères remplissent trois fonctions essentielles : l’adhérence des matériaux actifs aux collecteurs de courant, la liaison des additifs conducteurs au sein d’un réseau interconnecté et la compensation des variations de volume lors des cycles de charge-décharge. Cet article présente les liants les plus couramment utilisés dans les laboratoires de recherche sur les batteries, leurs mécanismes d’action et la manière dont les chercheurs les sélectionnent pour faire progresser la technologie des batteries.

1. Fluorure de polyvinylidène (PVDF) : Le matériau traditionnel par excellence

fluorure de polyvinylidène ( PVDF Le PVDF est depuis longtemps considéré comme le liant de référence dans la recherche sur les batteries lithium-ion (LIB), grâce à son exceptionnelle stabilité chimique et sa compatibilité avec les électrolytes organiques. Composé d'unités -CH₂-CF₂- répétées, son caractère hydrophobe et sa haute cristallinité le rendent résistant à la dégradation par les électrolytes à base de carbonate (par exemple, les mélanges de carbonate d'éthylène et de carbonate de diéthyle) couramment utilisés dans les LIB.

2. Caoutchouc styrène-butadiène/carboxyméthylcellulose (SBR/CMC) : une alternative aqueuse pour les anodes

Le liant composite SBR/CMC s'est imposé comme la principale alternative aqueuse au PVDF, notamment pour la recherche sur les anodes utilisant du graphite ou des mélanges silicium-graphite. Ce système aqueux combine l'élasticité du caoutchouc styrène-butadiène (SBR) et la résistance mécanique de la carboxyméthylcellulose (CMC), un dérivé de cellulose modifié par des groupements carboxyméthyle (-CH₂COOH) afin d'améliorer sa solubilité dans l'eau.

3. Acide polyacrylique (PAA) : Liant dynamique pour matériaux à forte expansion volumique

L'acide polyacrylique (PAA), un polymère hydrosoluble constitué d'unités répétitives -CH₂-CH(COOH)-, est devenu un matériau incontournable dans les laboratoires étudiant les matériaux à forte dilatation volumique tels que le silicium, l'étain ou l'antimoine. Contrairement aux liaisons covalentes statiques du PVDF, le PAA forme des liaisons hydrogène dynamiques entre ses groupes carboxyle (-COOH) et hydroxyle (-OH) à la surface des matériaux actifs (par exemple, les couches d'oxyde de silicium). Ces liaisons peuvent se rompre et se reformer lors des cycles de charge-décharge, permettant ainsi de compenser les variations de volume sans perte d'adhérence.

4. Polyimide (PI) : Liant haute température pour conditions extrêmes

Le polyimide (PI), un polymère haute performance reconnu pour sa stabilité thermique (température de décomposition > 400 °C) et son inertie chimique, est utilisé dans les laboratoires de recherche sur les batteries destinées aux environnements extrêmes (aérospatiale, capteurs industriels, etc.) ou aux batteries à l'état solide haute température. Sa structure aromatique rigide et ses groupements fonctionnels imide (-CO-NH-CO-) lui confèrent une résistance exceptionnelle à la chaleur, aux électrolytes organiques et à la dégradation oxydative.

Le polyimide (PI) est également utilisé dans les cathodes haute tension des batteries lithium-ion (4,5 V et plus), où les liants traditionnels se dégradent. Une étude de 2025 publiée dans Advanced Energy Materials a démontré que les cathodes NMC 9010 à liant PI conservaient 92 % de leur capacité après 1 000 cycles à 4,6 V, contre 70 % pour le PVDF, grâce à la résistance du PI à l’oxydation de l’électrolyte. Cependant, son coût élevé (environ 200 $/kg) et sa faible solubilité dans les solvants courants (nécessitant l’utilisation de diméthylacétamide, un composé toxique) limitent son utilisation à la recherche en laboratoire, malgré les efforts continus déployés pour développer des dérivés hydrosolubles du PI.

5. Liants biosourcés : des options durables pour les batteries de nouvelle génération

Face à la priorité accordée au développement durable par les laboratoires, les liants biosourcés issus de ressources renouvelables (plantes, algues, etc.) gagnent en popularité. Parmi ceux-ci figurent l'alginate de sodium (provenant d'algues brunes), le chitosane (issu de carapaces de crustacés) et la lignine (issue de la pâte de bois), qui présentent tous l'avantage d'être peu coûteux, biodégradables et faciles à traiter en milieu aqueux.

L'alginate de sodium (AS) est un matériau de choix dans la recherche sur les batteries sodium-ion (SIB) et lithium-ion (LIB). Sa structure linéaire, composée d'unités d'acide guluronique et d'acide mannuronique, forme des liaisons ioniques fortes avec les ions métalliques (par exemple, Na⁺, Ca²⁺), créant ainsi un réseau à la fois flexible et robuste. Dans les anodes en carbone dur des SIB, les liants à base d'AS surpassent le PVDF en termes de durée de vie (90 % de rétention de capacité après 1 000 cycles) et de capacité de charge/décharge rapide, car leurs liaisons ioniques améliorent le transport des ions Na⁺. Les laboratoires utilisent également l'AS pour les cathodes de soufre des batteries Li-S, où ses groupes polaires adsorbent les polysulfures solubles, atténuant ainsi l'effet navette responsable de la perte de capacité.

Le chitosane, un polysaccharide cationique, est utilisé dans les laboratoires travaillant sur les batteries zinc-ion (ZIB) en raison de sa compatibilité avec les électrolytes aqueux et de sa capacité à inhiber la croissance des dendrites de zinc. Ses groupements amino (-NH₂) forment des complexes avec Zn²⁺, facilitant le dépôt de zinc sur les anodes. La lignine, un sous-produit de la fabrication du papier, est développée comme liant économique pour les cathodes LFP ; toutefois, sa faible solubilité nécessite une modification (par exemple, une sulfonation) en laboratoire afin d’améliorer sa mise en œuvre.

6. Critères de sélection des liants dans les laboratoires de batteries

Dans les laboratoires de batteries, les chercheurs sélectionnent les liants en fonction de cinq facteurs clés :

Compatibilité des matériaux : Les liants doivent être stables avec les matériaux actifs (par exemple, des liants résistants aux acides pour le silicium, résistants à l'oxydation pour les cathodes haute tension) et les électrolytes (aqueux ou organiques).

Capacité d'accommodation en matière d'expansion volumique : Liants à haute flexibilité (par exemple, PAA, SBR/CMC) pour des matériaux comme le silicium ; liants rigides (par exemple, PVDF , PI) pour le graphite à faible dilatation ou le NMC.

Exigences de traitement : Liants aqueux (SBR/CMC, PAA) pour la fabrication écologique ; liants organiques solubles (PVDF, PI) pour les chimies spécialisées.

Dans les laboratoires de recherche sur les batteries, le choix du liant est déterminant pour le succès des nouveaux matériaux actifs et des nouvelles chimies : le PVDF garantit la stabilité, le SBR/CMC permet la recherche sur les anodes écologiques, le PAA ouvre la voie aux matériaux à forte expansion volumique, le PI répond aux exigences des conditions extrêmes et les liants biosourcés favorisent le développement de batteries durables. Alors que les chercheurs s’efforcent d’obtenir une densité énergétique plus élevée, une durée de vie plus longue et une fabrication plus respectueuse de l’environnement, les liants continueront d’évoluer, avec des innovations telles que les polymères auto-réparateurs, les liants conducteurs et les systèmes multifonctionnels (par exemple, les liants servant de réservoirs d’électrolyte) en perspective. Pour toute personne travaillant dans la R&D des batteries, la compréhension des spécificités des différents liants est essentielle pour exploiter pleinement le potentiel des technologies de batteries avancées.