En labo, un revêtement inspiré du cartilage limite les fissures des cathodes

Chaque fois que des ions lithium entrent dans une cathode de batterie ou en sortent, la particule change de forme. Au niveau des interfaces entre ses minuscules cristaux, ce mouvement répété peut concentrer les contraintes jusqu’à l’apparition de fissures. Des chercheurs à Hong Kong ont testé un revêtement polymère extrêmement fin conçu pour répartir ces contraintes et protéger la cathode pendant des cycles répétés.

L’idée vient du cartilage. Qiang Liu, de la Hong Kong Polytechnic University, a étudié avec des chercheurs, dont le doctorant Yutong Liu et le professeur Guohua Chen, la manière dont le cartilage répartit les forces lors de sollicitations répétées. Leur revêtement est souple et flexible au niveau des joints de grains — les interfaces où les cristaux se rencontrent — et joue le rôle d’un tampon mécanique au lieu de chercher simplement à renforcer le matériau fragile.

Cette distinction est importante pour les oxydes lamellaires riches en nickel, des matériaux de cathode utilisés dans des électrodes à forte capacité. Les approches traditionnelles se sont concentrées sur l’augmentation du seuil d’apparition des fissures. L’équipe de Liu a au contraire déposé une couche de polymère à mémoire de forme qui se déforme sous l’effet des contraintes mécaniques, puis retrouve sa forme initiale, contribuant ainsi à répartir et dissiper l’énergie produite par les mouvements du lithium. Lors d’expériences et de cycles de batterie simulés, les particules revêtues ont mieux conservé leur intégrité structurelle que les particules non revêtues.

Les chercheurs ont testé cette stratégie sur plusieurs matériaux de cathode largement utilisés, notamment des oxydes lamellaires présentant différentes teneurs en nickel et en lithium, ainsi que du phosphate de fer lithié. Ils ont fait état d’améliorations de la stabilité au cyclage et de la capacité à fonctionner à différents régimes, ainsi que d’une diminution du nombre de fissures. Cette étude s’appuie sur un article publié en 2019 dans Nature Energy par l’équipe de Liu, qui avait montré qu’un revêtement polymère appliqué aux joints de grains des électrodes pouvait limiter les fissures, sans encore en expliquer le mécanisme.

Qu’est-ce qui pourrait changer en pratique ? Si le revêtement peut être intégré à la fabrication des batteries, il pourrait contribuer à préserver les performances des cathodes au fil des utilisations et favoriser la conception de batteries plus durables et potentiellement plus énergétiques. Ce bénéfice reste hypothétique : les éléments présentés proviennent de caractérisations en laboratoire et de cycles simulés.