Une anode sèche sans PTFE promet de meilleures batteries
Une technique sud-coréenne vise une recharge plus rapide et des coûts de production réduits
Des chercheurs sud-coréens ont développé une nouvelle technique de fabrication pour l'anode en graphite des batteries lithium-ion. Cette méthode permet de produire une électrode sèche sans utiliser de PTFE et a démontré, lors d'essais en laboratoire, de meilleures performances en recharge rapide, une diffusion plus efficace des ions lithium ainsi qu'une meilleure stabilité au fil des cycles de charge et de décharge qu'une anode conventionnelle fabriquée selon un procédé en suspension ("slurry"). L'innovation ne réside pas dans une nouvelle chimie de batterie, mais dans la forme et l'organisation des particules de graphite à l'intérieur de l'électrode.
Cette technologie a été développée par le Korea Institute of Materials Science (KIMS), en collaboration avec le Korea Electrotechnology Research Institute (KERI). Les résultats ont été publiés le 21 avril 2026 dans la revue scientifique Energy Storage Materials.
Une production moins complexe
Dans la fabrication conventionnelle des cellules lithium-ion, le matériau actif, les additifs conducteurs et les liants sont mélangés à un solvant afin de former une suspension ("slurry"). Celle-ci est ensuite déposée sur un collecteur de courant métallique avant que le solvant ne soit éliminé dans de grandes installations de séchage.
La technologie des électrodes sèches limite fortement ces étapes faisant appel aux solvants et au séchage lors de la fabrication de l'électrode finale. La consommation d'énergie de la production peut ainsi être réduite, tandis que les installations de séchage deviennent moins importantes. Selon le KIMS, cette approche présente donc un potentiel pour diminuer à la fois les coûts de production et les émissions de CO2 liées à la fabrication des batteries.
La plupart des procédés actuels d'électrodes sèches utilisent du polytétrafluoroéthylène (PTFE) comme liant. Sous l'effet des contraintes mécaniques, ce matériau forme un réseau fibrillaire qui maintient les différents composants ensemble. Dans une anode en graphite, le PTFE peut toutefois nuire aux performances électrochimiques. Par ailleurs, les matériaux fluorés font l'objet d'une attention croissante en raison de leur impact environnemental.
Un liant connu, une structure de graphite différente
Les chercheurs sud-coréens ont remplacé le PTFE par un système composé de carboxyméthylcellulose et de caoutchouc styrène-butadiène, généralement désigné sous l'abréviation CMC-SBR. Ce système de liant est déjà largement utilisé dans la fabrication conventionnelle des anodes en graphite par procédé humide. Le recours à des matériaux déjà connus dans l'industrie pourrait faciliter une future industrialisation.
Le remplacement du liant ne suffisait toutefois pas. Les chercheurs ont également modifié la forme et la structure interne du graphite. Les particules de graphite conventionnelles présentent généralement une forme lamellaire. Lors de leur dépôt et de leur compactage, elles s'orientent majoritairement de manière parallèle au collecteur de courant, à la manière d'un jeu de cartes empilé.
Il en résulte des trajets relativement longs et irréguliers pour les ions lithium qui doivent traverser l'épaisseur de l'électrode. Ce phénomène devient particulièrement problématique avec les électrodes épaisses et lors des recharges à forte puissance, lorsque les ions doivent migrer plus rapidement à travers le matériau.
Des granulés orientés de manière aléatoire
Afin de réduire cette limitation, l'équipe de recherche a produit, par atomisation (spray drying), des granulés composites constitués de graphite, d'additifs conducteurs et de CMC-SBR. À l'intérieur de ces granulés, les différentes paillettes de graphite ne sont plus orientées principalement dans une seule direction, mais de manière beaucoup plus aléatoire.
Il en résulte une structure plus isotrope, présentant des pores et des chemins de diffusion des ions lithium dans plusieurs directions, y compris à travers l'épaisseur de l'électrode. Selon les chercheurs, cette architecture réduit les limitations de transport qui apparaissent lorsque les particules de graphite sont fortement alignées de manière parallèle.
Cette caractéristique est particulièrement importante pour les électrodes épaisses. Celles-ci contiennent davantage de matériau actif par unité de surface et peuvent ainsi stocker plus d'énergie. Avec les électrodes conventionnelles, cette augmentation de l'épaisseur s'accompagne généralement d'un transport ionique plus difficile et de moins bonnes performances en recharge rapide. Les granulés de graphite à morphologie contrôlée visent précisément à limiter cet inconvénient.
De meilleures performances en recharge rapide
Lors des essais réalisés, l'anode sèche sans PTFE a, selon le KIMS, obtenu de meilleurs résultats que les anodes conventionnelles fabriquées par procédé en suspension, tant en matière de recharge rapide que de stabilité au cours des cycles successifs de charge et de décharge. La diffusion des ions lithium s'est également révélée plus efficace dans des conditions correspondant à une forte charge de matériau actif, comme celles utilisées pour les cellules à haute densité énergétique.
Ces résultats indiquent que cette technologie pourrait contribuer au développement de batteries combinant une capacité énergétique plus élevée et une recharge plus rapide. Pour les véhicules électriques, cela pourrait, à terme, permettre soit d'augmenter l'autonomie, soit de réduire la taille du pack batterie, sans devoir recourir à une nouvelle chimie de cellule.
Aucun chiffre concret concernant un éventuel gain en kilomètres d'autonomie, une réduction du temps de recharge ou une baisse des coûts de production n'a toutefois été publié. Les performances d'une batterie complète dépendent en effet non seulement de l'anode, mais également de la cathode, de l'électrolyte, de la conception de la cellule et de sa gestion thermique.
Un potentiel pour une industrialisation
L'un des avantages de cette approche réside dans le fait que le CMC-SBR et le procédé de spray drying sont déjà bien connus dans l'industrie. Cela ne signifie toutefois pas que le passage à une production de batteries à grande échelle soit immédiat. La technologie devra encore être validée sur des cellules de plus grande capacité ainsi que sur des lignes de production industrielles capables de garantir une qualité constante.
La stabilité mécanique de l'électrode, la cadence de production, la reproductibilité, la sécurité et la durée de vie sur plusieurs milliers de cycles devront également faire l'objet d'évaluations complémentaires. Ce n'est qu'à cette condition qu'il sera possible de déterminer si cette technologie présente également un réel avantage économique.
Le KIMS envisage des applications dans les véhicules électriques, le stockage d'énergie stationnaire et d'autres batteries lithium-ion à haute densité d'énergie. Cette innovation ne constitue pas encore une batterie prête pour une production en série, mais elle ouvre une nouvelle voie pour la fabrication plus efficace et potentiellement moins coûteuse des batteries lithium-ion actuelles.