Les feuilles d’électrodes des batteries lithium-ion sont fabriquées en enrobant une boue d’électrode sur des feuilles métalliques. La boue d’électrode est constituée des matériaux suivants dispersés dans des solvants organiques :
Matériau actif : Hôte d’intercalation/désintercalation lithium-ion.
Additifs conducteurs : Facilitent la conduction électronique.
Liant : Utilisé pour lier le matériau actif et les additifs conducteurs.
Pour les batteries de grande capacité, il est nécessaire de réduire la proportion d’additifs conducteurs et de liants tout en augmentant la proportion de matière active. Cependant, d’autre part, il est important d’assurer une conductivité électronique suffisante pour réduire la résistance interne de la batterie et maintenir la stabilité mécanique des électrodes. Par conséquent, une quantité appropriée d’additifs conducteurs et de liants est nécessaire. Ce compromis rend crucial l’optimisation du rapport entre le matériau actif et les additifs conducteurs.
La dispersibilité des matériaux actifs et des additifs conducteurs dans les boues d’électrodes est également cruciale. Une dispersion adéquate des matériaux actifs assure un contact accru entre l’électrolyte et la surface de chaque particule, améliorant les réactions ioniques et contribuant à améliorer la capacité de la batterie. Le degré de dispersion des additifs conducteurs est également critique. Si la boue d’électrode est mal mélangée, les additifs conducteurs ne peuvent pas se disperser adéquatement. À l’inverse, si le mélange est trop fort, les voies des électrons formés seront perturbées.
Les structures internes possibles des boues d’électrodes peuvent être illustrées comme suit :
(1) Les additifs conducteurs et les particules actives ne sont pas dispersés de manière adéquate.
(2) Les additifs conducteurs et les particules actives sont bien dispersés mais présentent de faibles forces d’interaction, ce qui entraîne leur séparation les unes des autres.
(3) Les additifs conducteurs et les particules actives sont entièrement dispersés, formant une structure où les additifs conducteurs encapsulent les particules actives et sont liés entre eux pour créer un réseau. C’est la structure de lisier idéale.
(4) Lorsqu’il y a une quantité excessive d’additifs conducteurs, une agrégation partielle et la formation d’un réseau partiel peuvent se produire dans la structure de la boue.

Si la structure idéale de la suspension est maintenue pendant le processus de fabrication de l’électrode, cela peut finalement conduire à la formation d’une structure d’électrode idéale, ce qui se traduit par une voie de conduction électronique bien établie. Ceci est illustré dans le schéma suivant.

La dispersion des boues peut être obtenue par des méthodes mécaniques, telles que la dispersion par cisaillement à grande vitesse, ou des méthodes chimiques impliquant des dispersants. Le professeur Tong Zhao de l’Université de technologie de Xi’an a mené des recherches sur les mécanismes de plusieurs dispersants courants. Tout d’abord, le dosage optimal de trois dispersants typiques, à savoir l’éther octylphénylique de polyéthylène glycol (Triton X-100, T-100), la polyvinylpyrrolidone (PVP) et la carboxyméthylcellulose (CMC), a été déterminé. Par la suite, les mécanismes de dispersion des dispersants T-100, PVP et CMC dans les boues de batteries lithium-ion LiCoO2 ont été élucidés.
Les dosages optimaux pour les trois dispersants typiques, T-100, PVP et CMC, sont respectivement a% = 0,5%, b% = 0,5% et c% = 1,5%. L’ajout de quantités optimales de dispersants à la suspension de la batterie lithium-ion permet une meilleure dispersion de la suspension de boue multi-composants et facilite la formation d’une structure interne supérieure par rapport aux boues ayant des rapports de masse différents.
Le dispersant T-100 a peu d’impact sur la dispersion des particules de LiCoO2. Le dispersant non ionique T-100 agit par le biais d’un mécanisme de dispersion par entrave stérique à la surface des particules de noir de carbone, empêchant efficacement leur agrégation secondaire. Dans le même temps, la bicouche PVDF-CB a tendance à se former autour des particules de LiCoO2, facilitant la formation d’une structure où l’additif conducteur encapsule les particules de LiCoO2 dans la boue, comme le montre le schéma ci-dessus.
La CMC agit à la surface des particules additives conductrices et des particules LiCoO2 dans la boue par le biais du mécanisme de répulsion électrostatique, empêchant efficacement l’agrégation secondaire entre les particules. Il forme une structure où les additifs conducteurs encapsulent les particules de LiCoO2 dans la boue. En résumé, le dispersant ionique CMC peut créer une voie conductrice, une structure de réseau de LiCoO2 encapsulé dans des CB et des CB et PVDF bien dispersés dans les boues LiB. Par conséquent, CMC est le choix optimal pour établir une architecture interne bien structurée dans les boues de batteries lithium-ion afin d’améliorer les performances de la batterie, comme le montre le schéma ci-dessous.
