Batteries lithium-ion : Nouveau procédé respectueux de l'environnement pour la production industrielle de cathodes riches en nickel

 ZSW produit des électrodes et des cellules à base d'eau à l'échelle pilote.

Les batteries lithium-ion haute performance d'aujourd'hui sont toutes constituées de matériaux avec une grande proportion de nickel dans la masse de la cathode pour augmenter la densité d'énergie. Des solvants toxiques et des produits chimiques contenant du fluor sont utilisés dans la production. Le Centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) a maintenant lancé la production industrielle de cathodes avec des alternatives écologiques et peu coûteuses : les chercheurs d'Ulm ont remplacé le solvant toxique NMP par de l'eau et ont trouvé un substitut aux liants contenant du fluor. Par la suite, la production des cathodes riches en nickel à haute énergie spécifique et longévité a réussi à une échelle pilote proche de la production. Les électrodes ainsi produites ont été installées dans des cellules rondes de type 21700.

Prototypes de batteries au format 21700 fabriqués par ZSW
avec des cathodes riches en nickel à revêtement aqueux.
Photo: ZSW

Ces dernières années, des progrès notables ont été réalisés dans la fabrication à base d'eau à l'échelle du laboratoire d'électrodes contenant des matériaux actifs riches en nickel. Cependant, il n'y a pas encore eu de preuve de faisabilité à une échelle proche de la production. Le ZSW a maintenant réussi à le faire.

"Nos travaux devraient améliorer la production d'électrodes dans les batteries lithium-ion et les rendre respectueuses de l'environnement sans nuire aux performances des batteries", explique le professeur Dr. Markus Hölzle, responsable de la division ZSW à Ulm. "La substitution de solvants toxiques et de produits chimiques contenant du fluor non biodégradables joue ici un rôle important."

Développement d'un procédé économique adapté à une utilisation industrielle

Dans le cadre des travaux de recherche, le ZSW a remplacé le solvant standard NMP et le mélange de liant PVDF par une formulation aqueuse. Outre les aspects écologiques positifs, cela réduit également les coûts de production des cellules. Le point de départ était mon propre travail à l'échelle du millilitre.

Maintenant, pour la première fois, les chercheurs ont également réussi à produire des électrodes d'environ 100 mètres de long. À cette fin, les matériaux pré-développés ont été utilisés à l'échelle du kilogramme. Cette échelle dite pilote est considérée comme une étape clé dans le passage du laboratoire (millilitre) à l'application à grande échelle (mètres cubes ou tonnes). Avec les bandes d'électrodes de 100 mètres de long, ZSW a également pu produire pour la première fois des cellules de batterie cylindriques à part entière au format 21700. Le constructeur automobile Tesla utilise ce format de cellule dans sa Model 3. Ces batteries conviennent également pour une utilisation dans les vélos électriques. Le transfert du processus vers d'autres formats de cellules suivra.

Les batteries fabriquées à l'aide du nouveau procédé contiennent un matériau de cathode hautement actif avec 83 % en poids de nickel et de graphite sur le côté opposé, le pôle négatif ou l'anode. Les cellules pourraient être chargées et déchargées avec succès 1 000 fois à 25 degrés Celsius avant de tomber en dessous du contenu énergétique de 80 %. Exprimé en kilomètres, cela correspondrait à au moins 200 000 kilomètres avec les tailles de batterie typiques d'aujourd'hui dans les véhicules électriques.

"Grâce à notre nouveau processus de production, nous réduisons considérablement l'empreinte écologique des batteries lithium-ion", ajoute le Dr. Margret Wohlfarth-Multiens, responsable du travail en tant que chef de service. « Après des années d'utilisation de l'eau comme solvant pour les anodes, même à l'échelle industrielle, nous avons maintenant réussi à faire de même avec les matériaux des cathodes. En plus de supprimer le recours aux solvants toxiques, l'utilisation de l'eau permet également d'utiliser des liants non fluorés, ce qui simplifie considérablement le recyclage des batteries."

Les batteries lithium-ion sont la pierre angulaire de la transition vers l'électromobilité. Leurs performances sont déterminées presque exclusivement par les matériaux utilisés. Afin d'apporter des innovations sur le marché, les développements de l'échelle du laboratoire doivent être étendus à l'échelle pilote. La science parle d'échelle pilote lorsque toutes les étapes du processus répondent aux exigences de la quasi-série.

Les travaux ont été réalisés dans le cadre du projet DigiBatt Pro 4.0 financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche.

À propos de ZSW : Le Centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) est l'un des principaux instituts de recherche appliquée dans les domaines du photovoltaïque, des combustibles régénératifs, de la technologie des batteries et des piles à combustible ainsi que de l'analyse des systèmes énergétiques. Environ 330 scientifiques, ingénieurs et techniciens sont actuellement employés sur les trois sites du ZSW à Stuttgart, Ulm et Widderstall. Il y a aussi 100 assistants scientifiques et étudiants.

Le ZSW est membre de l'Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), une association de 12 instituts de recherche non universitaires liés aux entreprises.