Batteries et essais sur matériaux de batterie

Les électrodes ont besoin de liants et d’additifs pour garantir l’adhérence correcte au collecteur métallique. En ce qui concerne l’anode, la carboxymethylcellulose sodique (CMC) est un liant courant et le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) est fréquemment utilisé pour assurer la flexibilité. Le TGA mesure les températures de dégradation thermique et la composition des matériaux de l’anode active (CMC, SBR et graphite). La grande sensibilité de la balance Tru-Mass du TGA Discovery garantit une mesure précise de chaque composant de l’électrode. Pour ce test, l’échantillon a été directement chargé dans un creuset de TGA en platine sans subir aucune préparation.

Conclusion

Le TGA a mesuré la stabilité thermique et évalué la quantité de liant et d’additif dans l’anode. Le TGA peut également assurer un contrôle de qualité des matériaux pour s’assurer que la quantité de matériau actif, de liant et d’additif est identique dans chaque lot d’électrodes. Si la quantité de liant dans le matériau de l’anode active est insuffisante, cela affectera l’adhérence de ce dernier au collecteur métallique ; s’il y en a trop, cela réduira la proportion de matériau actif et aura un impact sur la réaction électrochimique. L’optimisation des ratios de liant/additif est essentielle pour obtenir des performances optimales de la batterie et améliorer sa durée de vie.

Les suspensions d’électrodes sont complexes : il s’agit de fluides non newtoniens constitués d’un mélange de particules solides et d’un liant polymère dans un solvant. Elles sont soumises à un large éventail de taux de déformation de cisaillement qui changent à différents stades du processus de fabrication de l’électrode. La suspension idéale a une faible viscosité pour permettre un mélange et un revêtement optimaux (taux de cisaillement élevés) mais cette viscosité doit être suffisamment élevée pour permettre un bon nivellement pendant le séchage et pour minimiser la sédimentation et l’agglomération de particules pendant le stockage (taux de cisaillement faibles).

La Figure 8 montre la viscosité d’une suspension d’anode à différentes vitesses de cisaillement sur un rhéomètre hybride Discovery (DHR) TA Instruments. L’échantillon a été mélangé avant son chargement sur le rhéomètre. Les mesures ont été prises de 0,01 à 1 000 s-1 à 25 ˚C à l’aide d’un Plan/Plan de 40 mm avec piège à solvant.

Les données de la Figure 8 montrent la viscosité de la suspension mesurée sur 5 décades de taux de cisaillement. La technologie de moteur en cloche (Drag Cup) haute performance du DHR permet d’effectuer la mesure en moins de 20 minutes avec une lecture directe de la viscosité. Initialement, sous des taux de cisaillement faibles qui simulent les conditions de stockage, la viscosité est élevée pour éviter la sédimentation et réduire l’énergie nécessaire pour effectuer le mélange avant l’application du revêtement. La sensibilité à faible couple du DHR assure des mesures précises et reproductibles dans cette région de faible taux de cisaillement, ce qui rend les données plus fiables.

Au fur et à mesure que le taux de cisaillement augmente, la suspension présente un comportement rhéofluidifiant typique dans lequel la viscosité de la suspension baisse pratiquement d’une décade. Il s’agit d’un résultat important pour garantir le mélange efficace des suspensions et s’assurer qu’elles possèdent le bon degré de fluidité lorsqu’elles sont appliquées sur le substrat.

La rhéologie de la suspension continue à jouer un rôle critique à l’étape de formation du film (processus à faible taux de cisaillement) dans laquelle la vitesse d’augmentation de la viscosité (appelée thixotropie) garantit le nivellement des revêtements. Cela s’avère particulièrement critique lorsque l’on souhaite disposer d’électrodes à forte densité de revêtement pour une densité énergétique plus élevée.

Conclusion :

Les mesures rhéologiques fournissent aux chercheurs un outil d’analyse fiable pour développer de nouvelles formulations offrant des performances et une facilité de fabrication améliorées. Comprendre et contrôler la rhéologie des suspensions pour électrodes (slurry) permet non seulement de choisir un procédé de fabrication approprié (enduction par rouleaux couplés, enduction par filière plate, etc.), mais aussi d’optimiser la production afin d’obtenir des films homogènes et sans défauts présentant une densité de revêtement uniforme et un bon contact avec l’électrode. Ces mesures peuvent être utilisées dans les installations de recherche et développement ou de fabrication grâce à l’interface utilisateur très intuitive du DHR, qui réduit le délai de formation de l’opérateur et augmente la productivité.

Dans une batterie au lithium-ion, le séparateur, une membrane microporeuse perméable, est un composant essentiel qui empêche le contact physique entre les deux électrodes, évitant ainsi les courts-circuits, tout en permettant le transfert des ions lithium, indispensable au fonctionnement de la batterie. Le Discovery TMA 450 peut mesurer le changement de dimension et la température de défaillance potentielle du séparateur. La mesure extrêmement sensible des changements de dimension permet de détecter aussi bien la dilatation que la contraction thermique pour différentes orientations de séparateur. L’échantillon avait été découpé en éléments uniformes de 24 mm de longueur et 2 mm de largeur et chargé sur une sonde de film et de fibre. La température avait été portée de -70 °C à 200 °C à raison de 3 °C/min sous une purge d’azote.

Conclusion :

Le TMA 450 a mesuré la dilatation thermique du séparateur et identifié un effet d’orientation dans les directions X et Y. Il est important de comprendre l’effet d’orientation pour éviter une dilatation ou une contraction indésirable pouvant conduire à une défaillance mécanique des batteries.