Production of electrodes for all-solid-state batteries using die-pressing technology and multi-material 3D printing.

Abstract

Les batteries tout solide sont considérées comme une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion classiques à électrolyte liquide car elles offrent une sécurité accrue, une plage de températures de fonctionnement plus large et la possibilité d'utiliser des anodes en lithium métallique, conduisant ainsi une densité énergétique plus élevée. Cependant, le développement de cette technologie est entravé par une résistance interfaciale élevée, des incompatibilités mécaniques et chimiques entre les matériaux et l'absence de procédés de fabrication à grande échelle. Dans le cadre de ce travail, de nouvelles stratégies combinant la mise en forme de poudres, le pressage dans un moule et la fabrication additive multi-matériaux sont étudiées afin de fabriquer des électrodes pour des batteries tout solide et hybrides, contenant à la fois un électrolyte liquide et solide, avec des structures interfaciales définies. Les poudres de cathode d'oxyde de nickel-manganèse-cobalt (NMC) ont été optimisées pour la fabrication additive sur lit de poudre par spray drying d'un mélange de particules de matière première broyées et non broyées et de liants polymériques (alcool polyvinylique et oxyde de polyéthylène). Les poudres obtenues ont été caractérisées par diffraction des rayons X, granulométrie laser, microscopie électronique à balayage et rhéologie des poudres. Le spray drying a permis la production de particules secondaires sphériques, denses et mécaniquement robustes, présentant une fluidité améliorée et une cohésion réduite, en particulier pour les formulations contenant de l'alcool polyvinylique. Ces propriétés sont compatibles avec une utilisation en fabrication additive. Les tests électrochimiques effectués sur les films et les pastilles NMC ont démontré que le processus de séchage par atomisation préservait l'activité électrochimique du matériau. Des pastilles de batterie solides hybrides combinant des électrodes NMC ou titanate de lithium (LTO) avec un électrolyte solide inorganique, le LATP, ont été fabriquées par pressage conventionnel et par dépôt additif multi-matériaux. Différentes architectures d'interfaces ont été produites et conservées après le pressage. Dans l'ensemble, ces travaux démontrent comment la mise en forme des poudres, la fabrication additive multi-matériaux et les techniques de consolidation à basse température telles que le pressage dans un moule offrent une voie viable vers la fabrication de composants de batteries tout solide avec des structures interfaciales spécifiques et optimisées.