BE1031419B1 - Procédé sans solvant pour la préparation de batteries lithium-ion - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé sans solvant qui emploie des nanotubes de carbone pour préparer des compositions et des électrodes pour des batteries lithium-ion. Les nanotubes de carbone peuvent être multifonctionnels, fournissant deux caractéristiques souhaitables ou plus, agissant, par exemple, en guise d’additif de carbone conducteur, en guise d’agent de formation de fibrilles et/ou en guise de renfort mécanique. Dans un exemple, les nanotubes de carbone sont prévus en combinaison avec un noir de carbone. Dans un autre exemple, une matière électroactive, un liant pouvant former des fibrilles, par exemple du PTFE, et des nanotubes de carbone sont combinés en une ou plusieurs étapes. Un mélange à cisaillement élevé est utilisé pour former des fibrilles du liant. La composition ainsi obtenue peut être formée en un film qui peut être appliqué sur un substrat approprié pour former une électrode.

Description

Descri ption BE2024/5167
Titre de l’invention : Procédé sans solvant pour la préparation de batteries lithium-ion
[0001] SOUTIEN DU GOUVERNEMENT
[0002] Cette invention a été réalisée avec le soutien du gouvernement dans le cadre de la bourse numéro DE-EE0009109.0000, attribuée par l'Office of Energy
Efficiency and Renewable Energy (EERE) du U.S. Department of Energy. Le gouvernement a certains droits sur l'invention.
[0003] DEMANDES APPARENTÉES
[0004] Cette demande est liée à la demande provisoire américaine n° 63/491 598, déposée le 22 mars 2023, et à la demande provisoire américaine n° 63/583 327, déposée le 18 septembre 2023, toutes deux étant incorporées ici à titre de référence dans leur intégralité.
[0005] ARRIÈRE-PLAN DE L’INVENTION
[0006] Les batteries lithium-ion (LIB) sont des sources d'énergie électrique couramment utilisées pour de nombreuses applications allant des dispositifs électroniques aux véhicules électriques. Une batterie lithium-ion comporte typiquement une électrode négative et une électrode positive dans un agencement qui permet aux ions lithium et aux électrons de se déplacer vers et à partir des électrodes pendant la charge et la décharge. Une solution d’électrolyte en contact avec les électrodes fournit un milieu conducteur dans lequel peuvent se déplacer les ions. Pour éviter une réaction directe entre les électrodes, un séparateur perméable aux ions est utilisé pour isoler physiquement et électriquement les électrodes. En fonctionnement, un contact électrique est réalisé aux électrodes, permettant à des électrons de circuler à travers le dispositif pour fournir une puissance électrique, et à des ions lithium de se déplacer à travers l’électrolyte d’une électrode à l’autre.
[0007] La plupart des batteries lithium-ion disponibles dans le commerce ont des anodes qui contiennent du graphite, un matériau capable d’incorporer du lithium par le biais d’un mécanisme d'intercalation. Typiquement, le lithium est ajouté à l’anode de graphite pendant le cycle de charge et retiré à mesure que la batterie BE2024/5167 est utilisée.
[0008] Les cathodes comportent typiquement un substrat conducteur supportant un mélange contenant au moins un matériau électrochimiquement actif et un liant.
La matière électroactive, telle qu’un oxyde de métal de transition et de lithium, est capable de recevoir et de libérer des ions lithium. Comme avec l’anode, le liant est utilisé pour assurer l'intégrité mécanique et la stabilité de l’électrode.
[0009] La matière électroactive et le liant présentant souvent des mauvaises propriétés électroconductrices voire des propriétés isolantes, les cathodes comportent souvent un composant additif qui améliore la conductivité électrique de l’électrode. Des additifs conducteurs, des additifs conducteurs au carbone, par exemple, peuvent également se trouver dans des compositions d’anode LIB.
[0010] Pour fabriquer l’électrode, la matière active d’électrode, le graphite par exemple, est mélangée avec un liant, typiquement un matériau polymère ou résine. De nombreux procédés de fabrication existants ont recours à des techniques de coulée à base de suspensions humides qui contiennent non seulement le liant mais également des solvants, des plastifiants, des additifs conducteurs, et ainsi de suite. Lors de la fabrication, la suspension est revêtue ou extrudée sur un substrat conducteur. Le solvant étant préjudiciable au produit final, il est éliminé par séchage.
[0011] Cependant, les opérations de séchage, en particulier celles visant à éliminer le solvant, nécessitent un temps, ralentissant le procédé de fabrication global.
Elles peuvent également augmenter les coûts et susciter des inquiétudes en matière d’environnement. En termes de produit final, l'élimination du solvant lors du procédé de séchage conduit souvent à la migration du liant vers la surface de l’électrode. Bien qu’une migration minimale puisse être acceptable dans certains cas, elle est problématique dans d’autres. Pour des électrodes à chargement élevé (épaisses, > 4,5 mAh/g), par exemple, la migration est exacerbée, entraînant un délaminage et une mauvaise performance des électrodes.
[0012] Par conséquent, des alternatives « sèches » visant à réduire ou à éliminer l'étape de séchage associée aux techniques utilisant une suspension sont développées. Alors que les procédés secs produisent également des électrodes qui contiennent typiquement une matière électroactive, un liant et un composant BE2024/5167 additif conducteur, ils ne nécessitent pas d'utiliser de solvant.
[0013] Les approches sèches proposées comportent un mélange à cisaillement élevé faisant intervenir un liant pouvant former des fibrilles, l’utilisation d’un liant sacrificiel retiré lors du traitement de l’électrode, une pulvérisation de poudre sèche, un dépôt par pulvérisation électrostatique, un dépôt par plasma froid, un dépôt par pulvérisation cathodique, une impression de poudre, pour n’en citer que quelques-unes. Dans certains, un promoteur de formation de fibrilles est incorporé dans le liant et la formulation obtenue est soumise à un mélange à cisaillement élevé pour former des fibrilles du liant, générant de ce fait une structure de type toile qui peut mieux maintenir les matériaux ensemble et supporter la matière active.
[0014] À l’heure actuelle, l’additif le plus habituellement utilisé pour favoriser la formation de fibrilles du liant a été le charbon actif (AC). Généralement, VAC est dérivé de matériaux sources carbonés tels que le bambou, l’enveloppe de noix de coco, la tourbe, le bois, la fibre de coco, le lignite, le charbon et le brai pétrolier. L'activation est réalisée par des approches physiques ou chimiques, telles que connues dans la technique. Pour de nombreuses applications, les poudres d’AC sont broyées à des dimensions de particules de dizaines de micromètres (um) avant activation.
[0015] RÉSUMÉ DE L'INVENTION
[0016] Alors que les procédés de fabrication par voie sèche ont le potentiel d'éliminer bon nombre des défis posés par l'addition et/ou l’élimination de solvants (souvent néfastes), des problèmes subsistent.
[0017] Par exemple, les techniques de fabrication « par voie sèche » actuelles utilisent non seulement la matière active d’électrode mais de nombreux autres ingrédients tels que des promoteurs de formation de fibrilles, des additifs conducteurs et des liants. Étant donné que bon nombre de ces composants n’interviennent pas dans les réactions électrochimiques qui produisent de l'énergie électrique, ils peuvent affecter négativement certaines caractéristiques de performances (par exemple, capacité et densité énergétique) de la batterie,
car ils abaissent efficacement la quantité de matière active pouvant être BE2024/5167 contenue dans un volume donné.
[0018] Les agents de formation de fibrilles de l’état de la technique tels que les AC contiennent souvent des taux d’impuretés élevés. Également, des surfaces spécifiques élevées et des groupes contenant de l'oxygène de surface qui sont typiques pour les AC ont tendance à favoriser une absorption d’eau significative.
Ces caractéristiques peuvent contribuer à des pertes irréversibles de capacité, diminuant les performances de la batterie. De plus, les AC ne parviennent pas à ajouter une conductivité suffisante, élevant le besoin de quantités accrues d’additifs conducteurs dans la formulation globale. Même en guise de simple promoteur de formation de fibrilles, VAC nécessite souvent des chargements relativement élevés (5 à 10 % en poids, dans de nombreux cas) ce qui, en soi, limite également la quantité de matières actives qui peuvent être comprises.
[0019] II existe donc un besoin pour des compositions et des procédés qui traitent au moins certains des problèmes associés aux approches existantes.
[0020] D'une manière générale, l'invention concerne l’utilisation de nanotubes de carbone (un ou plusieurs CNT) pour apporter des améliorations nécessaires au procédé de fabrication, à l’électrode de produit et/ou à la batterie assemblée.
Plus spécifiquement, l'invention concerne l’utilisation de CNT dans le cadre de procédés de fabrication d’électrodes sèches ou sans solvant.
[0021] Il a été découvert que, lorsqu’ils sont utilisés dans de tels procédés, les CNT peuvent jouer le rôle d’agent de traitement liant. En fait, les nanotubes de carbone peuvent avoir un caractère multifonctionnel, fournissant deux caractéristiques souhaitables ou plus. Par exemple, les nanotubes de carbone peuvent agir en guise d’auxiliaire à la formation de fibrilles, servant de substitut à
PAC ; en guise d’additif de carbone conducteur (en formant des réseaux électroconducteurs) ; et/ou en guise de renfort mécanique, en ajoutant une résistance mécanique et une flexibilité à un film/une électrode de produit.
[0022] Il a en outre été découvert que certaines combinaisons de CNT et de noir de carbone (CB) peuvent traiter efficacement un liant dans l’approche sans solvant décrite ici. Dans de nombreux cas, les combinaisons CNT-CB peuvent en outre communiquer des propriétés mécaniques et/ou une conductivité électrique souhaitables au film et/ou à l’électrode traités par voie sèche ainsi obtenus. Les BE2024/5167 cathodes préparées à l’aide de CNT et de CB, par exemple, peuvent afficher une conductivité électrique à courte et longue plage combinée avec une bonne diffusion du Li. 5 [0023] Ainsi, dans certains modes de réalisation, le procédé par voie sèche décrit ici est mené en utilisant une combinaison de CNT et de CB (par exemple, un mélange) qui comporte un ou plusieurs types de CNT et un ou plusieurs types de
CB. Au moins l’un parmi les CB utilisés peut avoir des propriétés multifonctionnelles (agissant, dans une illustration, comme additif conducteur, auxiliaire de traitement du liant et renforcement mécanique).
[0024] Typiquement, le procédé décrit ici est mené sans utiliser aucun liquide (un solvant, par exemple). Les ingrédients sont fournis en guise de matériaux particulaires libres tels que des poudres, flocons, billes, granules, pastilles coulant ou pouvant être versés, et ainsi de suite.
[0025] Cependant, il est possible, dans certains cas, d’utiliser de petites quantités de liquide (un solvant, par exemple) pour mettre en œuvre le procédé décrit ici, typiquement une étape autre que l'étape de formation de fibrilles ou de traitement de liant. Généralement, si un liquide est ajouté, les quantités utilisées ne sont pas supérieures à environ 10 % en poids de la quantité totale en poids des ingrédients utilisés. Dans de nombreuses situations, un liquide, par exemple, un solvant, est ajouté en une quantité qui n’est pas supérieure à 1 % en poids.
[0026] Un aspect de l'invention concerne un procédé de préparation d’une composition d’électrode. Le procédé comprend la combinaison d’une matière active d’électrode, d’un liant et de CNT, et le traitement du liant en présence des
CNT. De nombreux modes de réalisation de ce procédé sont menés sans ajout de liquide (typiquement un solvant). Les CNT peuvent être un constituant dans un composant d’additif carboné CNT-CB.
[0027] En général, le liant peut être un quelconque polymère semi-cristallin. Ainsi, le procédé peut être mené avec des liants classiquement considérés comme « pouvant former des fibrilles » ainsi que ceux classiquement considérés comme liants « ne pouvant pas former de fibrilles » ; des combinaisons de ceux-ci pouvant également être utilisées.
[0028] Dans une illustration, un procédé de préparation d’une composition BE2024/5167 d’électrode comprend : la combinaison d’une matière active d’électrode, d’un liant pouvant former des fibrilles et de CNT, et la soumission du liant à une opération de formation de fibrilles en présence des CNT ou, dans certains cas, en présence d’une combinaison ou d'un mélange de CNT et d’un ou plusieurs CB.
[0029] Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de préparation d’une composition d’électrode. Le procédé comprend le traitement d’un liant (en soumettant le liant à des conditions de cisaillement élevé, par exemple) en présence de CNT, et l’ajout d’une matière active d’électrode avant, pendant ou après le traitement du liant. Le liant peut être un liant pouvant former des fibrilles, un liant ne pouvant pas former de fibrilles ou une quelconque combinaison de ceux-ci. Les CNT peuvent être fournis dans un composant CNT-CB.
[0030] Dans des modes de réalisation spécifiques, le procédé décrit ici est mené sans ajouter d’auxiliaire de formation de fibrilles autre que les CNT ou le composant CNT-CB. Dans un tel cas, les CNT (ou le mélange CNT-CB) fournissent l’ensemble de la fonctionnalité de traitement du liant (par exemple, la formation de fibrilles), remplaçant complètement les agents classiques de formation de fibrilles tels que les charbons actifs, par exemple. Il est également possible d’utiliser des CNT (ou le composant CNT-CB) en combinaison avec diverses quantités d'un auxiliaire classique de formation de fibrilles, un charbon actif par exemple.
[0031] La matière électroactive, le liant, par exemple un liant pouvant former des fibrilles, et les CNT (ou le mélange CNT/CB) peuvent être combinés en une seule étape, le traitement du liant, une opération de formation de fibrilles par exemple, étant menée ultérieurement. Dans d’autres modes de réalisation, les constituants sont combinés séquentiellement. Par exemple, le liant, en présence de l’additif multifonctionnel, est traité, par exemple ayant formé des fibrilles, en premier, cette étape étant suivie d’un mélange avec la matière électroactive. D'autres séquences sont possibles.
[0032] Des distributions uniformes de constituants peuvent être obtenues à l’aide de conditions autres (souvent plus douces) que celles utilisées dans le traitement du liant, par exemple la formation de fibrilles. Des techniques de mélange à faible cisaillement peuvent également empêcher des fragmentations de particules et BE2024/5167 conserver la granulométrie.
[0033] La composition d’électrode préparée tel que décrit ici peut donner un film autoportant, ou un film stratifié sur un substrat. Ainsi, dans des modes de réalisation, la composition d’électrode, typiquement un matériau particulaire libre tel qu'une poudre coulante, contenant une matière électroactive, un liant traité (par exemple, ayant formé des fibrilles), des CNT, et du CB facultatif est en outre traitée. Dans un exemple, la composition est formée en un film autoportant qui peut être appliqué sur un substrat ou support électroconducteur pour former une électrode. Par exemple, la composition peut être calandrée et stratifiée en un substrat de feuille conductrice. L'opération de calandrage peut être menée à température ambiante ou au-dessus, par exemple, à une température similaire ou proche de la température de transition vitreuse du polymère. L'étape de stratification peut être réalisée pendant ou après le calandrage de la composition.
L’électrode de produit ainsi obtenue peut être assemblée dans une batterie LIB dans laquelle une ou les deux électrodes est/sont préparées par un procédé sans solvant. Dans un exemple, les deux électrodes sont préparées selon des techniques décrites ici.
[0034] Dans un autre aspect, l'invention concerne un film traité par voie sèche qui comporte une matière active d’électrode ; un liant, typiquement traité, par exemple, ayant formé des fibrilles ; et des CNT. Dans certains cas, le film traité par voie sèche comprend en outre au moins un CB (qui peut être multifonctionnel). Avant l’une quelconque opération de séchage, le film traité par voie sèche a un poids égal ou inférieur de 1 % en poids à son poids théorique.
[0035] L'utilisation de CNT peut apporter un certain nombre de propriétés attrayantes à un film d’électrode et/ou une électrode traités par voie sèche, y compris, par exemple, une conductivité électrique, des propriétés physiques attrayantes, par ex., une bonne résistance à la traction, une stabilité thermique (parfois comparable à celle des cristaux de diamant ou des feuilles de graphite dans le plan) et/ou une stabilité chimique, pour n’en citer que quelques-uns.
[0036] Les CNT peuvent réduire la quantité de liant et/ou d’additifs de traitement classiques nécessaires au procédé de fabrication, augmentant le chargement potentiel avec des matières actives et conduisant à des électrodes et donc des BE2024/5167 batteries à densité énergétique supérieure. Les approches décrites ici peuvent réduire ou éliminer le besoin des AC. Dans de nombreux cas, des quantités d’additif plus petites sont nécessaires, augmentant le contenu disponible autorisé pour les matières actives d’électrode, donnant des batteries avec des densités énergétiques supérieures et des durées de vie plus longues. Les CNT peuvent améliorer la formation de fibrilles du liant et la distribution de matière à travers l’électrode. L’adhérence et la stabilité mécanique améliorées représentent encore d’autres effets bénéfiques potentiels. Des électrodes traitées par voie sèche préparées à partir de CNT sont censées présenter un bon transfert de charge. La réduction de l’impédance d’électrode avec un additif de CNT peut améliorer la capacité de taux de cellules et les performances de charge, ouvrant des possibilités pour des électrodes plus épaisses et des batteries à plus haute densité énergétique avec des capacités de charge rapide.
[0037] Dans certains cas, les CNT initiaux peuvent être cassés ou séparés en unités plus petites lors du traitement. On pense que de tels fragments, répartis, par exemple, uniformément, sur toute une composition d’électrode, peuvent conduire à des électrodes ayant des propriétés mécaniques améliorées et/ou une connectivité électrique améliorée (en formant des trajets électriques améliorés) dans l’électrode ainsi obtenue.
[0038] D'autres améliorations sont possibles avec des combinaisons de CNT et d’un ou plusieurs noirs de carbone. Certaines combinaisons de CNT et plusieurs CB, par exemple, ont des propriétés multifonctionnelles et peuvent déformer un liant à un degré suffisant pour traiter des ingrédients dans une approche sans solvant.
Elles peuvent en outre communiquer des propriétés mécaniques souhaitables.
Par rapport à des caractéristiques électriques, on pense que les CNT, conjointement avec le CB, peuvent avantageusement combiner et équilibrer la conductivité à longue plage, mais une diffusion de Li+ limitée des CNT avec la conductivité à courte plage, mais une bonne diffusion de Li+ des CB.
[0039] Alors que des phénomènes de migration de liant sont souvent observés avec des électrodes préparées avec une suspension, le procédé et la composition décrits ici semblent donner des distributions uniformes sur l’électrode. Le liant ayant formé des fibrilles maintient les particules électroactives (au même titre que les additifs conducteurs) ensemble (cohésion), tout en maintenant également la BE2024/5167 couche de film d’électrode fixée au substrat métallique (adhérence).
[0040] Les techniques sans solvant décrites ici réduisent ou éliminent l’utilisation de solvants nocifs tels que la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) et similaires. Le fait de pouvoir contourner l’étape de séchage associée à une suspension (ou d’autres procédés « humides ») peut simplifier, accélérer la fabrication, et réduire l'encombrement de la ligne de production d’électrodes. Ces effets bénéfiques, ainsi que la réduction ou l'élimination de la nécessité de recycler les solvants ou de prendre des mesures de réduction des émissions, peuvent contribuer à une réduction globale des coûts.
[0041] Les caractéristiques ci-dessus et d’autres de l'invention, y compris divers détails de la construction et des combinaisons de parties, et d’autres avantages, vont maintenant être plus particulièrement décrites en référence aux dessins annexés et désignés dans les revendications. On comprendra que le procédé et le dispositif particuliers mettant en œuvre l'invention sont représentés à titre illustratif et non limitatif de l'invention. Les principes et caractéristiques de cette invention peuvent être utilisés dans divers et nombreux modes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention.
[0042] BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0043] Dans les dessins annexés, les chiffres de référence se réfèrent aux mêmes parties dans toutes les différentes vues. Les dessins ne sont pas nécessairement à l’échelle ; l'accent a plutôt été mis sur l'illustration des principes de l'invention.
Dans les dessins :
[0044] la FIG. 1A comporte des graphiques à barres comparant la résistance à la traction (en bas) et le module d’élasticité (en haut) de films de cathode sèche préparés avec : divers types de CNT ; un CB ; et un AC, en guise de références ;
[0045] la FIG. 1B est un graphique à barres comparant la résistivité dans le plan de cathodes sèches préparées à l’aide de divers CNT et la résistivité dans le plan d’une cathode sèche de référence, préparée avec un CB ; — [0046] la FIG. 2A illustre l'impact de Dso des CNT sur la résistance à la traction (en bas) et le module d’élasticité (en haut) de films de cathode sèche ;
[0047] la FIG. 2B est un diagramme en barres montrant la résistivité dans le plan de BE2024/5167 l’électrode mesurée pour une cathode sèche préparée avec des CNT pulvérisés (préalablement broyés) et non pulvérisés (non préalablement broyés) ;
[0048] la FIG. 3 présente des images de MEB en section transversale de films de cathode sèche préparés avec des CNT non pulvérisés (A et C) et des CNT pulvérisés (B et D). Les images de gauche des FIG. A et B sont des images électroniques en rétrodiffusion (A-I et B-I) ; les images de droite sont des images en électrons secondaires (A-II et B-II) ;
[0049] la FIG. 4 présente une image de MEB (A) en section transversale et des cartographies élémentaires EDS correspondantes du fluor (B) et du carbone (C) pour un film de cathode sèche préparé avec des CNT pulvérisés (échelle graphique de 100 um) ;
[0050] la FIG. 5A présente une comparaison de la résistance à la traction (en bas) et du module d’élasticité (en haut) de films de cathode sèche préparés à l’aide de
CNT pulvérisés et non pulvérisés à deux chargements différents ;
[0051] la FIG. 5B est un diagramme en barres d’une résistivité dans le plan de cathodes sèches préparées avec des CNT pulvérisés et non pulvérisés à deux chargements différents ;
[0052] la FIG. 6 compare la résistivité d’électrode dans le plan (en haut) et à travers le plan (en bas) de cathodes sèches préparées avec plusieurs CNT ;
[0053] la FIG. 7A compare la résistance à la traction de films de cathode sèche préparés avec le CB choisi uniquement, des CNT uniquement, et des mélanges
CB/CNT à deux rapports différents ;
[0054] la FIG. 7B compare la résistance à la traction de films de cathode sèche préparés avec le CB choisi uniquement, des CNT uniquement, et des mélanges
CB/CNT à deux rapports différents ;
[0055] la FIG. 8 compare la résistivité cathodique d’électrodes sèches préparées avec le CB uniquement, des CNT uniquement, et des mélanges CB/CNT à des rapports choisis ;
[0056] la FIG. 9 compare le module d’élasticité de films de cathode sèche préparés BE2024/5167 avec des mélanges de CB avec des CNT à deux chargements différents et du
CB uniquement aux deux chargements différents ;
[0057] la FIG. 10A est un diagramme à barres de la résistance à la traction de films de cathode sèche formés avec des mélanges CB/CNT à des rapports choisis, avec des CNT uniquement et du CB uniquement à titre d'exemples comparatifs, et avec un AC pour référence ; les films cathodiques qui n’ont pas pu être fabriqués sont marqués d’un X sur le diagramme ;
[0058] la FIG. 10B compare la résistance à la traction de films de cathode sèche préparés avec deux types différents de CNT en combinaison avec le même CB, en utilisant les mêmes chargements de CB et CNT.
[0059] La FIG. 11 compare la résistance à la traction d’un film d’anode sèche préparé avec trois types différents de CNT et avec un AC en guise de référence.
[0060] La FIG. 12 est une représentation graphique montrant une capacité de décharge C/20, C/10, C/5, C/3, C/2, 1C, 2C de piles boutons complètes avec des cathodes sèches préparées à l’aide de CNT pulvérisés et non pulvérisés.
[0061] La FIG. 13 est une représentation graphique montrant le cyclage de capacité de décharge de piles boutons complète avec des cathodes sèches préparées à l’aide de CNT pulvérisés et non pulvérisés.
[0062] La FIG. 14 est une représentation graphique montrant une capacité de décharge C/20, C/10, C/5, C/3, C/2, 1C, 2C de piles boutons complètes avec des cathodes sèches préparées à l’aide de plusieurs CNT pulvérisés ayant une Dso similaire.
[0063] La FIG. 15 est une représentation graphique montrant le cyclage de capacité de décharge de piles boutons complètes avec des cathodes sèches préparées à l’aide de plusieurs CNT ayant une Dso similaire.
[0064] La FIG. 16 est une représentation graphique montrant la capacité de décharge à 2C de piles boutons complètes avec des cathodes sèches à l’aide des mêmes CNT à deux chargements et densités de matière active différents.
[0065] La FIG. 17 est une représentation graphique montrant une capacité de décharge C/20, C/10, C/5, C/3, C/2, 1C de piles boutons complètes avec des cathodes sèches préparées à l’aide de CB uniquement, et des mélanges BE2024/5167
CB/CNT à deux rapports différents.
[0066] La FIG. 18 est une représentation graphique montrant le cyclage de capacité de décharge de piles boutons complètes avec des cathodes sèches préparées à l’aide de CNT choisis uniquement et d’un mélange CB/CNT.
[0067] DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
[0068] L'invention sera maintenant décrite plus en détail ci-après en référence aux dessins annexés, dans lesquels des modes de réalisation illustratifs de l'invention sont présentés. Cette invention peut, cependant, être réalisée sous de nombreuses formes différentes et ne doit pas être interprétée comme étant limitée aux modes de réalisation présentés ici ; à la place, ces modes de réalisation sont fournis de telle sorte que la présente description soit complète et exhaustive, et permette que l'homme du métier comprenne la portée de l'invention.
[0069] Tel qu'il est utilisé ici, le terme « et/ou » comporte l’une quelconque et toutes les combinaisons d’un ou plusieurs des éléments énumérés associés. De même, toutes les conjonctions utilisées doivent être comprises au sens le plus inclusif possible. Ainsi, le mot « ou » doit être compris comme ayant la définition d’un « OU » logique plutôt que celui d’un « ou exclusif » logique à moins que le contexte n’exige clairement autre chose. En outre, les formes singulières et les articles « un », « une » et « le » sont destinés à inclure aussi le pluriel, sauf expressément indiqué en d’autres termes. On comprendra en outre que les termes : comporte, comprend, comportant et/ou comprenant, lorsqu'ils sont utilisés dans cette spécification, spécifient Ia présence de caractéristiques, nombres entiers, étapes, opérations, éléments et/ou composants mentionnés, mais n’excluent pas la présence ou l’ajout d’un ou plusieurs autres caractéristiques, nombres entiers, étapes, opérations, éléments, composants et/ou groupes de ceux-ci. En outre, on comprendra que lorsqu'un élément, y compris un composant ou un sous-système, est désigné et/ou représenté comme étant relié ou accouplé à un autre élément, il peut être directement relié ou accouplé à l’autre élément ou des éléments intermédiaires peuvent être présents.
[0070] On comprendra que bien que des termes tels que « premier » et BE2024/5167 « deuxième » soient utilisés ici pour décrire divers éléments, ces éléments ne doivent pas être limités par ces termes. Ces termes ne sont utilisés que pour distinguer un élément d’un autre élément. Ainsi, un élément exposé ci-dessous pourrait être qualifié de deuxième élément, et de manière similaire, un deuxième élément peut être qualifié de premier élément sans sortir des enseignements de la présente invention.
[0071] Sauf indication contraire, tous les termes (y compris les termes techniques et scientifiques) utilisés aux présentes ont le même sens que ce qui est généralement compris par l'homme du métier ordinaire auquel appartient cette invention. On comprendra en outre que des termes, tels que ceux définis dans des dictionnaires couramment utilisés, doivent être interprétés comme ayant une signification qui est cohérente avec leur signification dans le contexte de l’art pertinent et ne sera pas interprété dans un sens idéalisé ou trop formel sauf expressément défini ici.
[0072] L'invention concerne généralement la fabrication d’électrodes pour des cellules électrochimiques, dans de nombreux cas pour des batteries telles que, par exemple les LIB. Dans un exemple, les batteries d’intérêt sont des LIB rechargeables.
[0073] Typiquement, les batteries LIB sont nommées selon les acronymes de la matière électroactive utilisée pour former la cathode, souvent un composé d’intercalation. Les modes de réalisation décrits ici peuvent être mis en pratique avec ou adaptés à divers types de batteries lithium-ion actuellement connues dans la technique, telles que, par exemple, les batteries LCO (lithium oxyde de cobalt), LMO (lithium oxyde de manganèse), NCM (lithium nickel cobalt oxyde de manganèse), NCA (lithium nickel cobalt oxyde d'aluminium), LCP (lithium cobalt phosphate), LFP (lithium fer phosphate), LFMP (lithium fer manganèse phosphate), LFSF (lithium fer fluorosulfate), LTS (lithium sulfure de titane), ou d’autres LIB actuellement connues ou développées dans le futur.
[0074] De nombreuses techniques de fabrication d’électrodes pour une utilisation dans une cellule électrochimique comportent la formation d’une composition d’électrode (anode ou cathode) qui peut être appliquée (revêtue, extrudée,
stratifiée, etc.) sur un substrat conducteur. Dans la composition, la matière active BE2024/5167 d’électrode est amalgamée (mélangée) avec un liant (par exemple, des polymères, des résines, etc.), qui sert à associer et maintenir ensemble les matières actives. Des liquides utilisés pour dissoudre ou transporter le matériau liant, les plastifiants et/ou autres additifs sont souvent inclus.
[0075] Généralement, dans un procédé classique à base de solvant, le liant polymère et d’autres composants sont mélangés avec un liquide approprié pour former une suspension qui peut ensuite être appliquée sur le substrat. Des quantités liquides typiques utilisées sont d'au moins environ 40 % en fonction du poids total des ingrédients utilisés ; de nombreux procédés par voie humide exigent des quantités de solvant plus élevées. À mesure que le solvant est éliminé (par exemple, pendant le séchage), le liant devient de plus en plus collant et adhère aux particules présentes et/ou au substrat.
[0076] Contrairement aux techniques basées sur des suspensions, les modes de réalisation décrits ici font intervenir un procédé « sans solvant » également appelé « par voie sèche ». Dans cette approche sans solvant, certains et typiquement tous les constituants (par ex., matière active, liant, additifs, etc.) nécessaires pour préparer la composition d’électrode sont fournis en guise de matériaux particulaires libres, par ex., des poudres, flocons, pastilles, billes coulant librement, et ainsi de suite. Des modes de réalisation décrits ici peuvent comporter une ou plusieurs opérations conçues pour mélanger ces constituants (en utilisant, par exemple, un équipement conçu pour mélanger des matériaux particulaires libres) ainsi qu’au moins une opération conçue pour traiter le liant.
Soumettre le liant à certaines conditions de cisaillement, par exemple, peut entraîner des déformations du liant, par ex., des élongations du liant, la formation de brins de liant, des enchevêtrements, et ainsi de suite. Avec certains types de liants, on appelle cela la « formation de fibrilles » du liant. Typiquement, la composition ainsi obtenue est un matériau particulaire libre.
[0077] Dans de nombreux aspects de l'invention, les ingrédients sont combinés, et le liant est traité, par exemple, ayant formé des fibrilles, sans ajouter de liquide, par exemple, de solvant.
[0078] Alors que la plupart des modes de réalisation font intervenir un procédé qui BE2024/5167 est mené sans addition liquide et qui est complètement sans solvant, des petites quantités de liquide, par ex, de solvant, peuvent être utilisées dans certains cas, pour humidifier, par exemple, au moins certaines des particules étant mélangées.
Ceci peut se produire lors de la formation d’un prémélange qui est ensuite complètement séché avant de mener des opérations ultérieures. Dans un exemple, l’un quelconque solvant utilisé pour former un tel prémélange est éliminé, par exemple, par séchage, avant que le liant ne soit déformé. Le traitement (par ex., formation de fibrilles) du liant est ensuite mené avec des particules libres, coulant librement ou pouvant être versées, dans des conditions entièrement sans solvant.
[0079] Alors que des ingrédients peuvent être mélangés et le liant traité (par ex., ayant formé des fibrilles) dans des conditions entièrement sans solvant, un solvant peut être utilisé dans certains cas dans une post-opération (une opération qui a lieu après que la composition d’électrode sèche a été formée) telle que, par exemple, pendant la fabrication du film ou la stratification de l’électrode, pour faciliter la processabilité du film, par exemple. Des procédés qui font intervenir une utilisation de solvant pendant une post-opération sont également dénommés ici « par voie sèche » ou « sans solvant ». Généralement, un quelconque solvant utilisé (pour pulvériser le film pendant la fabrication du film de stratification, par exemple) est éliminé, par ex., par séchage, lorsque l’électrode est passée à travers des cylindres de calandre chauffés.
[0080] Des solvants appropriés peuvent être choisis parmi des solvants typiquement rencontrés dans la production de LIB et comportent, mais sans caractère limitatif, la N-méthylpyrrolidone (NMP), l’acétone, des alcools et de l’eau. S’il est utilisé, le solvant peut être éliminé par des techniques de séchage standard. On s'attend à ce que de tels taux faibles de solvants puissent être éliminés complètement ou presque.
[0081] Si elle est utilisée, la quantité de solvant n’est pas supérieure à environ 1 % en poids de la composition d’électrode de produit entière, et souvent inférieure à environ celle-ci (une composition contenant une matière électroactive, traitée, par ex., ayant formé des fibrilles, un liant et d’autres ingrédients, un composant additif, par exemple). Dans des exemples illustratifs, la quantité de solvant utilisée est dans une plage d'environ 0 à au plus 1 % en poids, telle que d'environ BE2024/5167 0 à environ 0,2, à environ 0,4, à environ 0,6, à environ 0,8 % en poids ; ou d'environ 0,2, à environ 0,4, à environ 0,6, à environ 0,8, à environ 1 % en poids ; ou d’environ 0,2 à environ 0,4, à environ 0,6, à environ 0,8, à environ 1 % en poids ; ou d’environ 0,4 à environ 0,6, à environ 0,8, à environ 1 % en poids ; ou d'environ 0,6 à environ 0,8, à environ 1,0 % en poids ; ou d’environ 0,8 à environ 1% en poids, en fonction du poids total d’ingrédients utilisés.
[0082] Dans d’autres situations, le solvant peut être ajouté en des quantités dans une plage d’environ O à environ 10 % en poids, telle que dans une plage d'environ 0 à environ 2, à environ 4, à environ 6 à environ 8 % en poids ; ou d'environ 2 à environ 4, à environ 6, à environ 8, à environ 10 % en poids ; ou d'environ 4 à environ 6, à environ 8 à environ 10 % en poids ; ou d’environ 6 à environ 8, à environ 10 % en poids ; ou d'environ 8 à environ 10 % en poids.
[0083] Des produits finis, par exemple, des films ou des films stratifiés sur un collecteur de courant, préparés par le procédé sans solvant ou par voie sèche décrit ici, peuvent être reconnus par absence de solvants de traitement détectables ou de résidus de solvants de traitement. Contrairement à ces produits « secs », les produits obtenus par des techniques humides (suspension) vont typiquement comporter des solvants de traitement et/ou des résidus de solvants de traitement détectables. Dans une approche différente, des électrodes sèches ou des films secs préparés selon des modes de réalisation de l'invention sont censés afficher une distribution de liant uniforme ou sensiblement uniforme sur toute l’épaisseur de l’électrode ou du film ; en général, moins d’uniformité est observée avec des techniques humides, qui conduisent souvent à des migrations du liant vers une surface de film.
[0084] Comme pour les constituants utilisés, le procédé sans solvant décrit ici fait intervenir : un composant électroactif (Un matériau ou une combinaison de matériaux qui participe aux réactions électrochimiques de charge/décharge d’une cellule électrochimique telles que par absorption ou désorption du lithium) ; un liant, qui peut être un liant pouvant former des fibrilles ou ne pouvant pas former de fibrilles ; et des nanotubes de carbone. Dans certains modes de réalisation, les nanotubes de carbone sont un constituant dans un composant d’additif de carbone. Dans d’autres modes de réalisation, ce composant contient également BE2024/5167 du noir de carbone (CB).
[0085] Pour de nombreuses anodes de LIB, la matière électroactive (également appelée simplement ici « matière active » ou « MA ») est le graphite, par ex, le graphite naturel, le graphite artificiel (par ex., du graphite artificiel massif (GAM)) ou des mélanges des deux. Des microbilles de mésocarbone (MCMB), des fibres de carbone à base de mésophase de brai (MCF) et des fibres de carbone mises à croître en phase vapeur (VGCF) peuvent également être utilisées. D’autres matériaux anodiques pouvant être utilisés en plus ou alternativement au graphite comportent le titanate de lithium, l’oxyde d’étain, le silicium (Si) et SIOx (x étant typiquement 1,04, 1,06, etc.). Dans des exemples illustratifs, l’anode comporte du graphite et/ou un composé contenant du silicium.
[0086] Des principes décrits ici peuvent également être utilisés avec d’autres matières actives d’anode telles que, par exemple, celles connues ou actuellement explorées, ou celles à développer dans le futur.
[0087] La quantité de la matière active d’anode peut varier, en fonction du type particulier de dispositif de stockage d'énergie. Dans des exemples illustratifs, la quantité de matière active d’anode (du graphite, par exemple) est d’au moins 80 % en poids, par ex., au moins 85, au moins 90, au moins 95, ou au moins 99 % en poids, par rapport au poids total de la composition d’électrode (sèche).
La matière active d’anode, par ex., le graphite, peut être fournie en une quantité d'environ 80 à environ : 85, 90, 93, 96, 99 % en poids ; ou d’environ 85 à environ : 90, 93, 96, 99 % en poids ; ou d’environ 90 à environ : 93, 96, 99 % en poids ; ou d’environ 93 à environ : 96, 99 % en poids ; ou d'environ 96 à environ 99 % en poids.
[0088] Les cathodes des LIB peuvent avoir recours à du LCO (lithium oxyde de cobalt), LMO (lithium oxyde de manganèse), NCM (lithium nickel cobalt oxyde de manganèse), NCA (lithium nickel cobalt oxyde d'aluminium), LCP (lithium cobalt phosphate), LFP (lithium fer phosphate), LFMP (lithium fer manganèse phosphate), LFSF (lithium fer fluorosulfate), LTS (lithium sulfure de titane), pour n’en citer que quelques-uns. Les matières telles que celles-ci sont généralement dénommées ici « composés de métal de transition au lithium », par ex., « oxydes de métal de transition au lithium ». En plus des matières de cathode basées sur BE2024/5167 la chimie d’intercalation, par ex., impliquant typiquement des réactions chimiques qui transfèrent un électron unique, d’autres types de matières de cathode (ayant des ions lithium insérés dans FeFs, par exemple) peuvent transférer de multiples électrons par des mécanismes de réaction plus complexes, appelés réactions de conversion. D’autres matières actives de cathode connues dans la technique ou développées dans le futur peuvent être utilisées.
[0089] Dans certains modes de réalisation, le procédé par voie sèche décrit ici utilise des compositions de cathode NCM ou NCA. Le NCM (également appelé « NMC ») et le NCA sont généralement connus de l'homme du métier.
[0090] Plus en détail, le NCM peut être représenté par la formule Lis+x(NiyCO1-y- zMnz)1<O2, dans laquelle x est dans la plage de O à 1, y est dans la plage de 0 à 1 (par ex., 0,3 à 0,8), et z est dans la plage de O à 1 (par ex, 0,1 à 0,3). Des exemples de NCM comportent Li1+x(Nio,33C00,33Mn0,33)1-xO2, Li1+x(Nio 4C00,3MNo,3)1- xO2, Li1+x(Nio,4C00,2MNo,4)1-xO2, Li1+x(Nio,4CO0,1MNo,5)1-xO2, Lit+x(Nio,5CO0,1MNo,4)1- xO2, Li1+x(Nio5C0O0,3MNo,2)1-xO2, Li1+x(Nio 5CO0,2MNo,3)1-xO2, Lit+x(Nio,6CO0,2Mno,2)1- xO2, Li1+x(Nio,8CO0,1MnNo,1)1-xO2 et Li1+x(Ni0,9C0,05Mn0,05)1-xO2.
[0091] Le NCA peut être représenté par la formule Li1+x(NiyCO1-y-zAlz)1-xO2, dans laquelle x est dans la plage de 0 à 1, y est dans la plage de 0 à 1, et z est dans la plage de 0 à 1. Un exemple d’un NCA est Lit+x(Nio,aCO0,15Al0,05)1-xO2.
[0092] La quantité de matière électroactive d’anode utilisée peut varier, en fonction du type particulier de dispositif de stockage d’énergie. Dans des exemples illustratifs, la quantité de NCM ou NCA est d’au moins 90 % en poids, par ex., au moins 93 %, au moins 96, au moins 98, ou au moins 99 % en poids, par rapport au poids total de la composition d’électrode (sèche). Le NCM ou NCA peut être fourni en une quantité d’environ 90 à environ : 93, 96, 99 % en poids ; ou d'environ 93 à environ : 96, 99 % en poids ; ou d’environ 96 à environ 99 % en poids.
[0093] En plus de la matière active, le procédé par voie sèche décrit ici emploie un liant. En général, le liant peut être un quelconque polymère semi-cristallin.
[0094] Dans certains modes de réalisation, le liant est un liant pouvant former des fibrilles. Le liant pouvant former des fibrilles peut être fourni dans un composant de liant qui est constitué de, est constitué sensiblement de, ou comprend le liant BE2024/5167 pouvant former des fibrilles.
[0095] Dans certaines conditions de traitement, par ex., un mélange à cisaillement élevé en présence d’un agent de formation de fibrilles, un liant pouvant former des fibrilles est capable de produire des fibrilles, formant un réseau qui peut relier et supporter d’autres particules présentes dans la formulation. De manière plus détaillée, on pense que la formation de fibrilles du liant génère une matrice, un treillis, ou une nappe de fibrilles (également appelées « brins », « rubans », « cordes ») qui confère une structure mécanique à l’électrode. Dans une électrode de produit, un liant ayant formé des fibrilles peut être détecté dans des images de MEB qui montreront la présence de fibrilles enroulées autour d'au moins une partie d'au moins certaines des particules présentes, par ex., des particules de matière active. D’autres techniques indirectes qui peuvent être utilisées pour évaluer un degré relatif de formation de fibrilles de liant comportent, par exemple, la spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDX), la rnéologie des poudres, la résistance à la traction. LEDX, par exemple, cartographie la distribution de l'élément fluor sur toute l’électrode sèche pour évaluer l'efficacité de la formation de fibrilles du liant. La rhéologie des poudres mesure l'interaction cohésive entre les particules dans le mélange de poudre d’électrode coulant librement, tandis que le test de résistance à la traction mesure la résistance du film d’électrode autoportant, les deux étant représentatifs du degré de formation de fibrilles du liant. Dans certains cas, une formation de fibrilles mauvaise ou inexistante peut être déduite pour des films d’électrode de produit sèche qui s'effritent ou se décollent d’un substrat.
[0096] Dans certaines mises en œuvre le liant pouvant former des fibrilles est un polymère fluoré pouvant former des fibrilles, tel que, par exemple, le polytétrafluoroéthylène ou PTFE. D'autres liants qui peuvent être considérés comme pouvant former des fibrilles comportent sans caractère limitatif Ie polypropylène à poids moléculaire ultra-élevé, le polyéthylène, et des copolymères et une combinaison quelconque de ceux-ci.
[0097] Le liant pouvant former des fibrilles (seul ou en guise de constituant dans un composant de liant (par ex., dans un mélange de polymères) peut être fourni en une quantité d’environ 1 à environ 10 % en poids, par exemple, environ 1 à 2, 2 à
3,3 à 4, 4a5,5a6,6à7,7à8,8äà9,9 à 10% en poids. Dans un exemple, le BE2024/5167 liant pouvant former des fibrilles est fourni en une quantité d'environ 5 % en poids. Dans d’autres exemples, le liant pouvant former des fibrilles est fourni en une quantité dans une plage d’environ 1 à : environ 2, environ 3, environ 4, environ 5, environ 6, environ 7, environ 8, environ 9 % en poids ; ou d’environ 2 à : environ 3, environ 4, environ 5, environ 6, environ 7, environ 8, environ 9, environ 10 % en poids ; ou d'environ 3 à : environ 4, environ 5, environ 6, environ 7, environ 8, environ 9, environ 10 % en poids ; ou d’environ 4 à : environ 5, environ 6, environ 7, environ 8, environ 9, environ 10 % en poids ; ou d’environ 5 à : environ 6, environ 7, environ 8, environ 9, environ 10 ; ou d’environ 6 à : environ 7, environ 8, environ 9, environ 10 % en poids ; ou d'environ 7 à : environ 8, environ 9, environ 10 % en poids ; ou d'environ 8 à : environ 9, environ 10 % en poids.
[0098] Cependant, toutes les situations ne vont pas nécessiter l’utilisation d’un liant pouvant former des fibrilles. Ainsi, certains modes de réalisation de l'invention ont recours à un composant de liant qui est constitué de, est constitué sensiblement de, ou comprend un ou plusieurs liants ne pouvant pas former de fibrilles. Tel qu'il est utilisé ici, Ie terme liant « ne pouvant pas former de fibrilles » désigne un liant difficile à soumettre à une formation de fibrilles dans les mêmes conditions qui sont suffisantes pour former des fibrilles d'un liant « pouvant former des fibrilles ». Néanmoins, même sans atteindre la formation complète de fibrilles, la mise en pratique d’aspects l'invention (dans les mêmes, ou sensiblement les mêmes, conditions de traitement utilisées pour une contrepartie pouvant former des fibrilles) peut toujours déformer, par ex., étirer, allonger, enchevêtrer, etc., un liant ne pouvant pas former de fibrilles, souvent dans une mesure significative.
[0099] Sans vouloir être lié par une interprétation ou un mécanisme particulier, on pense que la formation de fibrilles peut être considérée comme un phénomène extrême, où le polymère liant (qui peut commencer en guise de particule colloïdale) s'étire très finement, formant des brins très longs (rapport d’aspect élevé) qui peuvent ponter plus de deux particules électroactives, ce qui les maintient ensemble. La mise en pratique de modes de réalisation décrits ici peut également conduire à étirer (allonger) et/ou enchevêtrer un liant ne pouvant pas former de fibrilles, formant des composites du liant et un additif carboné, par exemple, ou un revêtement sur des particules d’additif de carbone. Même s’ilna …— BE2024/5167 pas complètement formé des fibrilles, un tel liant ne pouvant pas former de fibrilles « traité » peut encore servir de colle, reliant, liant et fournissant une connectivité pour les particules électroactives et Padhérence au collecteur de courant. Des déformations d’un liant ne pouvant pas former de fibrilles peuvent être observées par au moins certaines des techniques notées ci-dessus.
[0100] Dans un exemple, le liant ne pouvant pas former de fibrilles est un fluoropolymère tel que le fluorure de polyvinylidène (PVDF). D'autres exemples de liants pouvant être considérés comme ne pouvant pas former de fibrilles comportent le poly(vinyldifluoroéthylène-co-hexafluoropropylène) (PVDF-HFP), les polyimides, et les liants hydrosolubles tels que l’oxyde de poly(éthylène), l'alcool polyvinylique (PVA), la polyvinylpyrrolidone (PVP), Pacétate de polyvinyle, le polyéthylène-co-acétate de vinyle, certaines polyoléfines, la cellulose, les dérivés de cellulose, pour n’en citer que quelques-uns. D’autres liants ne pouvant pas former de fibrilles possibles comportent le polyéthylène et le polypropylène autres que ceux de poids moléculaire ultra élevé, Ie terpolymère éthylène- propylène-diène (EPDM), EPDM sulfoné, le caoutchouc styrène-butadiène (SBR), le caoutchouc nitrile-butadiène hydrogéné (HNBR), le caoutchouc fluoré, des copolymères et/ou des mélanges de ceux-ci. Dans un exemple, le liant ne pouvant pas former de fibrilles est un ester de cellulose, un éther de cellulose, un nitrate de cellulose, une carboxyalkylcellulose, un sel de cellulose et un dérivé de sel de cellulose. Dans certains modes de réalisation, le liant microparticulaire ne pouvant pas former de fibrilles est choisi parmi au moins l’un de la cellulose, l’acétate de cellulose, la méthylcellulose, l’éthylcellulose, l’'hydroxypropylcellulose (HPC), l’hydroxyéthylcellulose (HEC), le nitrate de cellulose, la carboxyméthylcellulose (CMC), la carboxyéthylcellulose, la carboxypropylcellulose, la carboxyisopropylcellulose, la cellulose sodique, le nitrate de cellulose sodique, et la carboxyalkylcellulose sodique. D'autres exemples ont recours à des combinaisons d’un liant ne pouvant pas former de fibrilles, PVDF, par exemple, et d’un liant ne pouvant pas former de fibrilles,
PTFE, par exemple.
[0101] Des liants ne pouvant pas former de fibrilles peuvent être présents dans la composition d’électrode dans les mêmes quantités que celles utilisées pour les liants pouvant former des fibrilles. D’autres quantités appropriées peuvent être BE2024/5167 utilisées, telles que déterminées par expérimentation de routine, par exemple.
[0102] Des liants pouvant former des fibrilles en combinaison avec des liants ne pouvant pas former de fibrilles peuvent également être utilisés.
[0103] Les compositions d’électrode comportent couramment des ingrédients tels que des additifs conducteurs (par exemple, des additifs de carbone conducteurs ou CCA), des plastifiants et ainsi de suite. Dans le cas de procédés sans solvant, des techniques communes font également appel à un agent ou auxiliaire de formation de fibrilles de liant (également appelé agent « formant des fibrilles»), typiquement VAC.
[0104] II a été découvert que les additifs classiques de formation de fibrilles (AC, par exemple) peuvent être complétés et souvent entièrement remplacés par des nanotubes de carbone. Dans de nombreux cas, les CNT peuvent fournir de multiples effets bénéfiques (une caractéristique désignée ici par « multifonctionnel »), servant, par exemple, d’agents de formation de fibrilles de liant (ou, dans certains cas, de déformation de liant), d’additifs conducteurs (générant des réseaux conducteurs, par ex., la conductivité à longue plage de l’électrode), et d’auxiliaires de renforcement mécanique (conférant un support, une stabilité et/ou une flexibilité mécaniques au produit d’électrode, souvent le revêtement, la couche ou le film typiquement appliqués sur le substrat conducteur pour former une électrode de batterie). Il a en outre été découvert que de multiples effets bénéfiques peuvent être réalisés en complétant ou en remplaçant entièrement des agents classiques de formation de fibrilles (AC, par exemple) par des CNT en combinaison avec au moins un type de noir de carbone (un ou plusieurs CB). Dans certains cas, des électrodes préparées par un procédé par voie sèche qui a recours à un mélange (amalgame) de CNT et de
CB sont plus performantes que des électrodes préparées de manière similaire qui utilisent uniquement des CNT ou uniquement du CB.
[0105] Tel que connu dans la technique, les nanotubes de carbone sont des matériaux carbonés, typiquement hydrophobes, caractérisés par au moins une feuille d’atomes de carbone hybridés sp? liés entre eux pour former un treillis en nid d’abeilles qui forme une structure cylindrique ou tubulaire. Les atomes de carbone dans un nanotube de carbone sont agencés dans une structure creuse BE2024/5167 (par ex., cylindrique), d’une longueur généralement supérieure au diamètre radial.
[0106] Les CNT peuvent avoir différentes morphologies, y compris des nanotubes de carbone monoparois (SWCNT) ou des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT). Les SWCNT peuvent être considérés comme un allotrope d’un carbone hybridé sp? similaire à des fullerènes. La structure est un tube cylindrique comportant des cycles de carbone à six chaînons. Des nanotubes de carbone doubles parois (DWCNT) ont tendance à avoir des propriétés similaires aux SWCNT. Des MWCNT analogues, d’autre part, présentent plusieurs tubes dans des cylindres concentriques. Le nombre de ces parois concentriques peut varier, par exemple de 2 à 25 ou plus. Typiquement, le diamètre des MWNT peut être de 10 nm ou plus, par comparaison à 0,7 jusqu’à 2,0 nm pour des SWCNT typiques.
[0107] En fonction de la chiralité, les CNT sont classés en nanotubes de type chaise, en zigzag et chiraux.
[0108] Les CNT peuvent fournir une excellente conductivité électrique et thermique, et de bonnes propriétés mécaniques. Avec leur grande conductivité, les nanotubes de carbone sont de plus en plus adoptés comme additif conducteur dans les électrodes de batterie lithium-ion. Ils peuvent améliorer les performances de la batterie telles que la puissance, la durée de vie en cyclage et la densité énergétique.
[0109] Les CNT à parois simples et multiples peuvent tous être utilisés, comme le peuvent des mélanges de deux types différents de CNT ou plus. Dans de nombreux modes de réalisation, les CNT sont des MWCNT. Le nombre de parois présentes si des MWCNT sont utilisés, déterminé, par exemple, par microscopie électronique à transmission (MET), à un grossissement suffisant pour analyser le nombre de parois dans un cas particulier, peut être dans la plage d’environ 2 à environ 30, par exemple : 4 à 30 ; 6 à 30 ; 8 à 30 ; 10 à 30 ; 12 à 30 ; 14 à 30 ; 16 à 30 ; 18 à 30 ; 20 à 30 ; 22 à 30 ; 24 à 30 ; 26 à 30 ; 28 à 30 ; ou 2 à 28 ; 4 à 28 ; 6 à 28 ; 8 à 28 ; 10 à 28 ; 12 à 28 ; 14 à 28 ; 16 à 28 ; 18 à 28 ; 20 à 28 ; 22 à 28 ; 24 à 28 ; 26 à 28 ; ou 2 à 26 ; 4 à 26 ; 6 à 26 ; 8 à 26 ; 10 à 26 ; 12 à 26 ;
14 à 26 ; 16 à 26 ; 18 à 26 ; 20 à 26 ; 22 à 26 ; 24 à 26 ; ou 2 à24 ; 4 à24 ; 6 à BE2024/5167 24 ; 8 à 24 ; 10 à 24 ; 12 à 24 ; 14 à 24 ; 16 à 24 ; 18 à 24 ; 20 à 24 ; 22 à 24 ; ou 2 à 22 ; 4 à 22 ; 6 à 22 ; 8 à 22 ; 10 à 22 ; 12 à 22 ; 14 à 22 ; 16 à 22 ; 18 à 22 ; 20 à 22 ; ou 2 à 20 ; 4 à 20 ; 6 à 20 ; 8 à 20 ; 10 à 20 ; 12 à 20 ; 14 à 20 ; 16 à 20 ;18à20;ou2à18;4à18;6ä18;8ä18;10à18;12 à18;14à18;16 à 18;ou2 à 16; 4à 16 ;6 à 16 ;8 à 16 ; 10 à 16 ; 12 à 16; 14 à 16 ; ou2 à 14 ; 4 à14;6à14;8à14;10à14;12 à14;o0u2à12;4à12;6äà12;8ä 12; 10à12;ou2à10;4à10;6à10;8à10;o0u2à8;4à8;6àa8;ou2à6;4 à6:ou2 à4.
[0110] Dans de nombreux modes de réalisation, les CNT utilisés sont des CNT classiques (également appelés « ordinaires », « purs » ou « frais »), qui sont souvent fournis sous forme individualisée, tels que fabriqués dans le commerce, ou dans certains cas, tels que synthétisés ou traités de façon personnalisée.
[0111] Généralement, les CNT sont connus pour contenir des quantités importantes de catalyseur et supporter des résidus. Ces espèces peuvent être détectées par des techniques telles que le MEB, le MET, la spectroscopie d'émission atomique par plasma à couplage inductif ou ICP-AES, etc.
[0112] Les CNT peuvent avoir un diamètre de 100 nanomètres (nm) ou moins, tel que, par exemple, dans la plage d’environ 1 à environ 100 nm, par exemple dans la plage d’environ 5 à environ : 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 nm ; ou d'environ 10 à environ : 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 nm ; ou d'environ 20 à environ : 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 nm ; ou d'environ 30 à environ : 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 nm ; ou d'environ 40 à environ : 50, 60, 70, 80, 90, 100 nm : ou d’environ 50 à environ : 60, 70, 80, 90, 10 nm ; ou d’environ 60 à environ : 70, 80, 90, 100 nm ; d’environ 70 à environ : 80, 90, 100 nm ; ou d'environ 80 à environ 90, 100 nm ; ou d’environ 90 à environ 100 nm.
[0113] Des modes de réalisation spécifiques ont recours à des CNT ayant un diamètre dans une plage d'environ 2 nm à environ 50 nm, déterminé par MET.
Par exemple, les CNT utilisés peuvent avoir un diamètre dans une plage d'environ 2 à environ : 5, 10, 20, 30, 40 nm ; ou d'environ 5 à environ : 10, 20, 30, 40, 50 nm ; ou d’environ 20 à environ : 30, 40, 50 nm ; ou d’environ 30 à environ : 40, 50 nm ; ou d’environ 40 à environ 50 nm.
[0114] Les CNT peuvent avoir une longueur variant d'environ 10 nanomètres (nm) à BE2024/5167 environ 750 micromètres (um), ou plus. Ainsi, les CNT peuvent être de 10 nm à 100 nm, de 10 nm à 500 nm ; de 10 nm à 750 nm ; de 10 nm à 1 micromètre ; de 10 nm à 1,25 micromètre ; de 10 nm à 1,5 micromètre ; de 10 nm à 1,75 micromètre ; de 10 nm à 2 micromètres ; ou de 100 nm à 500 nm, de 100 nm à 750 nm ; de 100 nm à 1 micromètre ; de 100 à 1,25 micromètre ; de 100 à 1,5 micromètre ; de 100 à 1,75 micromètre de 100 à 2 micromètres ; de 500 nm à 750 nm ; de 500 nm à 1 micromètre ; de 500 nm à 1 micromètre ; de 500 nm à 1,25 micromètre ; de 500 nm à 1,5 micromètre ; de 500 nm à 1,75 micromètre ; de 500 nm à 2 micromètres ; de 750 nm à 1 micromètre ; de 750 nm à 1,25 micromètre ; de 750 nm à 1,5 micromètre ; de 750 nm à 1,75 micromètre ; de 750 nm à 2 micromètres ; de 1 micromètre à 1,25 micromètre ; de 1,0 micromètre à 1,5 micromètre ; de 1 micromètre à 1,75 micromètre ; de 1 micromètre à 2 micromètres ; ou de 1,25 micromètre à 1,5 micromètre ; de 1,25 micromètre à 1,75 micromètre ; de 1 micromètre à 2 micromètres ; ou de 1,5 à 1,75 micromètre ; de 1,5 à 2 micromètres ; ou de 1,75 à 2 micromètres.
[0115] Dans certains cas, les CNT utilisés dans le procédé par voie sèche décrit ici ont une longueur moyenne dans une plage d’environ 1 micromètre à environ 30 micromètres, telle que dans une plage d'environ 1 à environ 5, d’environ 1 à environ 10, d’environ 1 à environ 15, d’environ 1 à environ 20, d’environ 1 à environ 25 micromètres ; ou d'environ 5 à environ 10, d’environ 5 à environ 15, d'environ 5 à environ 20, d’environ 5 à environ 25, d’environ 5 à environ 30 micromètres ; ou d’environ 10 à environ 15, d’environ 10 à environ 20, d'environ 10 à environ 25, d'environ 10 à environ 30 micromètres ; ou d’environ 15 à environ 20, d’environ 15 à environ 25, d'environ 15 à environ micromètres ; ou d’environ 20 à environ 25, d’environ 20 à environ 30 micromètres ; ou d'environ 25 à environ 30 micromètres.
[0116] Dans certains modes de réalisation, au moins l’un des CNT a une longueur 30 qui est égale ou supérieure à 2 micromètres, telle que déterminée par MEB.
Dans des modes de réalisation spécifiques, plus d’un, par exemple, une partie telle qu’une fraction d’au moins environ 0,1 %, au moins environ 1 %, au moins environ 10 %, au moins environ 15 %, au moins environ 20 %, au moins environ
25 %, au moins environ 30 %, au moins environ 35 %, au moins environ 40 %, BE2024/5167 au moins environ 45 %, au moins environ 50 % voire plus d’une moitié, des CNT, tel que déterminé par MEB, peuvent avoir une longueur supérieure à 2 micromètres, par ex., au sein de plages spécifiées ci-dessus.
[0117] La morphologie des CNT sera souvent caractérisée par un rapport de forme élevé, avec des longueurs typiquement supérieures à 100 fois le diamètre, et dans certains cas beaucoup plus.
[0118] Les CNT peuvent également être caractérisés par leur surface spécifique. Les
CNT monoparois à petit diamètre, par exemple, peuvent avoir des surfaces spécifiques jusqu’à approximativement 3 000 m?/g, telles que, par exemple, jusqu’à environ 1 315 m?/g, alors que des CNT multi-parois à grand diamètre sont souvent caractérisés par des surfaces spécifiques allant jusqu’à environ 1 000 m?/g.
[0119] Dans bon nombre des modes de réalisation décrits ici, Ies CNT utilisés ont une surface spécifique de Brunauer-Emmett-Teller (BET), mesurée, par exemple, selon la norme ASTM D6556-10, qui est inférieure à environ 500 m?/g, telle que, par exemple, inférieure ou égale à 400 m°/g ; ou inférieure ou égale à 300 m°/g.
[0120] Dans certaines mises en œuvre, la surface spécifique BET des CNT se situe dans une plage d’environ 80 à environ 500, par ex., dans une plage de 200 à environ 500 m?/g. Dans des exemples spécifiques, les CNT ont une surface spécifique BET dans une plage d'environ 80 à environ : 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 m°/g ; ou d’environ 100 à environ : 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 m?/g ; ou d'environ 150 à environ : 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 m°/g ; ou d'environ 200 à environ : 250, 300, 350, 400, 450, 500 m°/g ; ou d’environ 250 à environ : 300, 350, 400, 450, 500 m°/g ; ou d’environ 300 à environ : 350, 400, 450, 500 m7/g ; ou d'environ 350 à environ : 400, 450, 500 m2/g ; ou d’environ 400 à environ : 450, 500 m?/g ; ou d’environ 450 à environ 500 m2/g.
[0121] Dans un exemple, les CNT ont une surface spécifique BET d’environ 80 à environ 110, d’environ 80 à environ 200, d'environ 80 à environ 230, d'environ 80 à environ 260, d’environ 80 à environ 280, d’environ 80 à environ 310, d’environ 80 à environ 350 m°/g ; ou d’environ 110 à environ 200, d’environ 110 à environ
230, d’environ 110 à environ 260, d’environ 110 à environ 280, d’environ 110 à BE2024/5167 environ 310, d’environ 110 à environ 350 m?/g ; ou d’environ 230 à environ 260, d'environ 230 à environ 280, d’environ 230 à environ 310, d’environ 230 à environ 350 m°/g ; ou d’environ 260 à environ 280, d’environ 260 à environ 310, d’environ 260 à environ 350 m?/g ; ou d’environ 280 à environ 310, d’environ 280 à environ 350 m?/g ; ou d’environ 310 à environ 350 m7/g.
[0122] Les CNT utilisés ont une masse volumique apparente, calculée, par exemple, en guise de poids de poudre de CNT, tombée librement et non tassée dans le cylindre, divisée par le volume que la poudre occupe, qui peut être dans une plage d'environ 0,01 à environ 0,3, par ex, d’environ 0,01 à environ 0,2. Dans une illustration, les CNT ont une masse volumique apparente d’environ 0,03 g/cm3. En outre, une consolidation, un compactage ou une densification, mesurés par masse volumique tassée, peut élever la masse volumique apparente à une plage entre environ 0,03 g/cm3 à environ 0,5 g/cm3.
[0123] Les CNT utilisés ici peuvent être identifiés et/ou caractérisés par diverses techniques. La microscopie électronique, y compris les techniques telles que la microscopie électronique à transmission (MET) et la microscopie électronique à balayage (MEB), par exemple, peut fournir des informations sur des caractéristiques telles que la fréquence du nombre spécifique de parois présentes, le diamètre du tube, la longueur, la ramification, la présence de particules de catalyseur, etc.
[0124] Une spectroscopie Raman est souvent utilisée pour caractériser l’état du carbone dans les matières carbonées. Par exemple, une bande D (environ 1 350 cmt) est associée au carbone sp3, tandis qu’une bande G (environ 1 580 cm’) est associée au carbone sp2 dans le graphite ou les CNT. Une bande G’ (environ 2 700 cm”) est censée se produire à environ 2 x la fréquence de la bande D. Dans certains cas, il peut être possible de faire la distinction entre les CNT utilisés pour mettre en pratique l'invention et d’autres structures carbonées par analyse thermogravimétrique (TGA).
[0125] D'autres propriétés des CNT à considérer dans des CNT multifonctionnels candidats se rapportent à leur forme physique. La granulométrie des CNT, par exemple, est une propriété qui peut être déterminée par des techniques de distribution granulométrique (PSD) et/ou microscopie électronique à balayage BE2024/5167 (MEB). Un granulomètre peut être utilisé pour mesurer l'intensité d’une lumière diffusée par diffraction laser pour mener une mesure granulométrique. Lorsqu'un faisceau laser est dirigé à travers un échantillon particulaire dispersé, de grandes particules diffusent la lumière selon des petits angles, tandis que de petites particules diffusent la lumière selon un angle plus grand. La granulométrie moyenne (Dso) est la plage granulométrique en fonction de 50 % dans la distribution granulométrique de la dispersion.
[0126] En raison de fortes interactions de van der Waals, par ex., sur leur longueur, les CNT peuvent former facilement des agrégats tels que des faisceaux, des cordes ou des agglomérats. Les CNT peuvent se produire en guise de « forêts » sensiblement parallèles, dans des masses enchevêtrées de manière aléatoire (« coussins ») d’agglomérations structurées, ou d'autres types d'agrégats.
[0127] Dans certaines mises en œuvre, les agrégats sont adaptés pour avoir une résistance suffisante pour former des fibrilles du liant, tout en se désagrégeant dans une certaine mesure, générant des fragments plus petits qui peuvent être étalés dans la composition, produisant ainsi une distribution uniforme des CNT.
[0128] Dans de nombreux modes de réalisation, le matériau de CNT a une pureté de
CNT égale ou supérieure à 97 %. Typiquement, les impuretés anioniques, cationiques ou métalliques sont faibles, par ex, dans la plage des parties par million (ppm). Souvent, les CNT utilisés ici n’exigent aucun additif supplémentaire pour lutter contre les forces de Van der Waals.
[0129] Dans le commerce, des exemples de matériaux de CNT qui peuvent être utilisés comportent mais sans s’y limiter ceux disponibles auprès de Cabot
Corporation sous le nom commercial de nanotubes de carbone ENERMAX®, de
CNano sous le nom commercial FT, de LG Chem sous le nom commercial
Lucan. Certains exemples spécifiques comportent ENERMAX 61, FT2000,
Lucan BT1003M, etc.
[0130] Le tableau 1 ci-dessous présente les propriétés physiques caractérisant des
CNT donnés à titre illustratif, à savoir CNT1 à CNT9.
[0131] [Tableau 1]
Masse PSD (um) BE2024/5167
Diamètre, | volumique 2 3
Type de CNT BET, m?/g nm apparente, Do g/cm*
CNT 1 265,5 133-135
CNT 2 300,41 0,092 | 6
CNT 3 225,59 | 10-20
CNT 4 101,22 30-50 0149 | 80
CNT5 261,6 0,0308 12-16
CNT6 268,8 0,0189 15-16
CNT 7 229,7 10-20 0,0614 11-15
CNT8 208,41 10-20 | 006 | 15
CNT 9 30-50 | 0,0511
[0132] Un traitement ou des modifications supplémentaires peuvent en outre améliorer le caractère multifonctionnel des CNT.
[0133] Dans une approche, par exemple, le matériau de CNT est préalablement broyé (broyé avant mélange avec le liant pouvant former des fibrilles et/ou la matière active d’électrode) en utilisant, par exemple, un appareil de mélange à cisaillement élevé tel que, par exemple, des broyeurs à jets, des broyeurs à billes, des extrudeuses, des homogénéisateurs, etc. Dans de nombreux cas, l'opération de broyage préalable est un broyage préalable par voie sèche, mené sans solvant, à l'état sec, par ex., en guise de poudre sèche. Dans certaines situations, cependant, l'opération de broyage préalable peut fait intervenir un solvant. Si tel est le cas, le solvant peut être éliminé par séchage thermique, lyophilisation ou vide. Menée avant l'étape de formation de fibrilles, une opération de broyage préalable, facultativement conjointement avec une étape de séchage (si un solvant est utilisé), peut augmenter les performances électrochimiques et peut améliorer le potentiel de formation de fibrilles des CNT. Le broyage préalable peut également provoquer des effets mécaniques positifs dans le produit de film et/ou d’électrode. Sans vouloir être lié à une interprétation particulière, on suppose que les particules plus petites peuvent être dispersées plus uniformément à travers la composition, améliorant de ce fait Ies propriétés électriques et mécaniques du produit (film ou électrode). Dans le Tableau 1 ci- dessus, CNT5 est une version préalablement broyée (pulvérisée) de CNT1,
tandis que CNT6, CNT7 et CNT9 sont des versions préalablement broyées BE2024/5167 (pulvérisées) de CNT2, CNT3, et CNT4, respectivement.
[0134] Dans une autre approche, les CNT utilisés sont entièrement dépourvus ou ont un nombre réduit de groupes de surface contenant de l'oxygène. La réduction ou l'absence de groupes contenant de l’oxygène tels que -OH, -O-, -COOH, etc, augmente le caractère hydrophobe de l’additif et augmente ainsi l’affinité de l’additif avec un liant hydrophobe pouvant former des fibrilles tel que le PTFE.
Une technique pour éliminer les groupes contenant de l'oxygène des CNT est un traitement thermique, qui peut être mené dans un four sous vide, par exemple.
[0135] En plus d’améliorer le caractère hydrophobe des CNT, le traitement thermique peut également améliorer leur conductivité électrique et réduire ou minimiser les impuretés (telles que celles restant après la fabrication des CNT) qui peuvent interférer avec les performances cycliques, le stockage à chaud et/ou la sécurité de la batterie et impacter négativement ceux-ci. D'autres techniques qui peuvent être utilisées pour éliminer les impuretés, comportent, par exemple, un lavage à l’acide, une combinaison d’un traitement thermique et d’un lavage à l'acide ou d’autres techniques. Dans certaines approches, le traitement acide comporte une oxydation avec HNO:3, H2SOa4, HCI, HF, seuls ou dans une quelconque combinaison de ceux-ci, ou une graphitisation. D’autres approches possibles comportent le mouillage des MWCNT avec du diméthylformamide (DMF), d’abord oxydé, puis en suspension dans l’acide nitrique.) Dans le
Tableau 1 ci-dessus, CNT7 est la version lavée acide de CNT8.
[0136] Les CNT peuvent être dopés (avec du bore, par exemple), à ailes de graphène ou autrement traité.
[0137] Les CNT peuvent subir plus d’un procédé et/ou modification. Par exemple, les
CNT peuvent être à la fois traités thermiquement et préalablement broyés.
[0138] Ainsi, en général, le procédé sans solvant décrit ici peut avoir recours à un additif de CNT sans aucun autre traitement ou modification (par ex., non fragmenté (par ex., non pulvérisé), non traité thermiquement, non lavé à l'acide, etc.), en guise de poudres pulvérisées (préalablement broyées), telles que modifiées, par ex., des CNT traités thermiquement, des CNT lavés à l’acide, et ainsi de suite. Une MET, une tomodensitométrie ou d’autres techniques peuvent être utilisées pour déterminer le type de CNT utilisés, dans certains cas. De BE2024/5167 bonnes propriétés multifonctions sont souvent réfléchies dans la qualité du produit film, électrode ou batterie obtenu.
[0139] Les CNT peuvent former ou être combinés pour former des mélanges de CNT avec diverses combinaisons et distributions des caractéristiques ci-dessus (nombre de parois, diamètres, longueurs, morphologies, orientations, etc.).
[0140] Dans certains modes de réalisation, un ou plusieurs types de CNT sont utilisés en combinaison avec un ou plusieurs types de noir de carbone (CB).
[0141] Comme on le sait, les CB sont des matériaux qui existent sous forme d’agrégats, qui, à leur tour, sont formés de particules primaires de CB. Dans la plupart des cas, les particules primaires n'existent pas indépendamment du granulat de CB. Alors que les particules primaires peuvent avoir un diamètre de particule primaire moyen dans la plage d’environ 10 nanomètres (nm) à environ 50 nm, par exemple, d'environ 10 nm à environ 15 nm ; d'environ 10 nm à environ 20 nm ; d'environ 10 nm à environ 25 nm ; d'environ 10 nm à environ 30 nm ; ou d'environ 10 nm à environ 40 nm, les agrégats peuvent être considérablement plus grands. Les agrégats de CB ont des géométries fractales et sont souvent désignés dans la technique par « particules » de CB (à ne pas confondre avec les « particules primaires » exposées ci-dessus).
[0142] De nombreux types de CB sont réalisés dans un réacteur de type four en pyrolysant une charge hydrocarbonée (FS) avec des gaz de combustion chauds pour produire des produits de combustion contenant des particules de CB. Les caractéristiques d’un CB donné dépendent souvent des conditions de fabrication et peuvent être changées ou modifiées, par ex., par des variations de température, de pression, de FS, de temps de séjour, de température de trempe, de rendement, et d’autres paramètres.
[0143] Comme on le sait dans la technique, les CB peuvent être décrits par certaines propriétés déterminées selon des procédures, souvent des protocoles standardisés, bien connus dans la technique. Par exemple, des CB peuvent être caractérisés par leur surface spécifique Brunauer-Emmett-Teller (BET), mesurée, par exemple, selon la norme ASTM D6556-10 ; par leur numéro d’adsorption d’huile (OAN), déterminé, par exemple, selon la norme ASTM D 2414-16 ; par leurs surfaces par épaisseur statistique (STSA), une propriété qui peut être BE2024/5167 déterminée par la norme ASTM D 6556-10.
[0144] Pour un CB donné, il peut également être intéressant, dans certains cas, de préciser le rapport de sa STSA à sa surface spécifique BET (rapport STSA:BET).
[0145] Les domaines cristallins des CB peuvent être caractérisés par une taille de cristallite La, telle que déterminée par spectroscopie Raman. La est définie par 43,5 x (aire de bande G/aire de bande D). La taille de cristallite peut donner une indication du degré de graphitisation, où une valeur La supérieure est corrélée à un degré supérieur de graphitisation. Les mesures Raman de La ont été basées sur Gruber et al., « Raman studies of heat-treated carbon blacks », Carbon
Vol. 32 (7), pp. 1377-1382, 1994, qui est incorporé ici en référence. Le spectre
Raman du carbone comporte deux bandes de « résonance » majeure à environ 1 340 cm”! et 1 580 cm”, désignés respectivement bandes « D » et « G ». On considère généralement que la bande D est attribuée au carbone sp? désordonné, et la bande G au carbone sp? graphitique ou « ordonné ». À l’aide d’une approche empirique, le rapport des bandes G/D et une La mesurée par diffraction des rayons X (XRD) sont fortement corrélés, et une analyse de régression donne la relation empirique :
[0146] [Math. 1]
La= 43,5 x (aire de bande G/aire de bande D), dans laquelle La est calculé en angstrôms. Ainsi, une valeur La supérieure correspond à une structure cristalline plus ordonnée.
[0147] Les domaines cristallins peuvent être caractérisés par une taille de cristallite
Le. La taille de cristallite Lc a été déterminée par diffraction des rayons X en utilisant un diffractomètre à rayons X (PANalytical X'Pert Pro, PANalytical B.V.), avec un tube en cuivre, une tension de tube de 45 KV, et un courant de tube de 40 mA. Un échantillon de particules de noir de carbone a été tassé dans un porte-échantillon (un accessoire du diffractomètre), et une mesure a été effectuée sur une plage angulaire (29) de 10° à 80°, à une vitesse de 0,14°/min.
Des positions de pics et une largeur totale à des demi-valeurs maximales ont été calculées au moyen du logiciel du diffractomètre. Pour l’étalonnage de langle de mesure, de l’hexaborure de lanthane (LaBs) a été utilisé en guise de norme de rayons X. À partir des mesures obtenues, la taille de cristallite Le a été BE2024/5167 déterminée en utilisant l’équation de Scherrer : Le (À) = K*1/(B*cos®), où K est la constante de facteur de forme (0,9) ; à est la longueur d'onde de la ligne de rayons X caractéristique de Cu K«1 (1,54056 À) ; B est la largeur de pic à mi- hauteur en radians ; et 6 est déterminé en prenant la moitié de la position de pic de l’angle de mesure (26).
[0148] La propreté de surface peut être décrite par l'énergie de surface (SEP) du CB, une propriété qui peut être déterminée par sorption dynamique de vapeur (eau) (DVS) ou pression d’étalement de l’eau (décrite, par exemple dans le brevet U.S. n° 10 886 535 B2, délivré le 5 janvier 2021, à Korchev et al. et incorporé ici à titre de référence.
[0149] D'autres techniques qui peuvent être utilisées pour étudier les CB comportent la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), l’analyse thermogravimétrique (TGA), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (TEM). La spectroscopie FTIR est particulièrement utile pour déterminer la nature de groupes fonctionnels de surface, tandis que les techniques MEB/TEM aident à visualiser la taille et la morphologie des particules.
La XPS est souvent utilisée pour déterminer la composition élémentaire d’un matériau et la TGA peut fournir des informations sur les caractéristiques de décomposition et d’oxydation des carbones.
[0150] Divers CB ont été développés et continuent à l’être pour des applications d’additif conducteur de carbone (CCA). L’électroconductivité d'attraction combine souvent une structure spécifique élevée et une structure développée extensivement (l'agencement des particules de CB primaires au sein d’un agrégat) et une porosité. Des CB qui peuvent être ajoutés à des compositions d’anode et/ou de cathode pour des LIB préparées par un procédé à base de suspension sont décrits, par exemple, dans les publications internationales n° WO 2020/197670, à Cabot Corp., publiée le 1er octobre 2020 et
WO 2020/197673, à Cabot Corp., publiée le 1er octobre 2020. Les deux sont incorporées ici en référence dans leur totalité.
[0151] Des exemples de CB disponibles dans le commerce qui peuvent être des BE2024/5167
CCA efficaces comportent des particules de noir de carbone LITX® 50, LITX® 66, LITX® 200, LITX® 300, LITX® HP, et LITX® MAX 90 disponibles auprès de
Cabot Corporation ; les produits C-NERGYTM C45, C-NERGY TM C65 et SUPER
P® d’Imerys ; les produits Li-400, Li-250, Li-100 et Li-435 de Denka ; et le produit
EC300 et EC600 de Ketjen. Les propriétés physiques des CB donnés à titre illustratif qui peuvent être utilisés en guise de CCA sont présentées sous la forme des échantillons CB1 à CB5 dans le Tableau 2 ci-dessous.
[0152] [Tableau 2]
Volume Volume Volume de pore Volu (IG/(I de pore 3 de pore
BET OAN La SD) | | (em“/9) a (emo) | de
Type del Sa |STSA,| 109 | SEP, |R a ) XRD par BJH Pa île (Par BJH ê
CB "| mg |M mJ/m°| aan, (taille | (ile | (taille |POTÉ 2 m°/g g À ,À des des des |total % Cr pores (em?/ pores , pores >
Rama 2nmà 9) < 2 nm) 50 nm) 50 nm)
CB1 |999| [| 265 | 67 | 25,5 | 37 | | 0,015 | 066 | 154 |221
CB2 |1430| 1415 | 605 | 2,5 | 209 | 324|128| | 147 | 04 |2,22
CB3 |1491| 507 | 1125] | | | 0.028 | 049 | 0,64 [1,15
CB5 |131| 97 | 230 | 28 | 13 | 23 | [| so | 01 | 0,15 [0,26
[0153] Les noirs de carbone utilisés en combinaison avec les CNT peuvent avoir des morphologies et/ou des chimies de surface choisies et peuvent fournir deux fonctions ou plus dans le contexte de procédés de fabrication d’électrodes par voie sèche (sans solvant). De manière générale, un noir de carbone (CB) « multifonctionnel » peut être défini par un CB qui déforme efficacement un liant ou forme efficacement des fibrilles d'un liant utilisé dans un procédé sans solvant ; contribue à la conductivité électronique/ionique de l’électrode ; et/ou fournit des effets bénéfiques mécaniques. Dans des implémentations spécifiques, un CB multifonctionnel peut être considéré comme étant capable de former des fibrilles d'un liant pouvant former des fibrilles à un chargement n’excédant pas 5 pour cent en poids (% en poids). À ce chargement, le CB multifonctionnel joue également le rôle d’additif conducteur carboné, réduisant la résistivité dans le plan de l’électrode. Dans de nombreux cas, on obtient aussi BE2024/5167 des effets bénéfiques mécaniques.
[0154] Les CB multifonctionnels sont décrits, par exemple, dans la demande de brevet internationale n° PCT/US23/64614, déposée le 17 mars 2023 et publiée sous le numéro WO2023/183754 A1 le 28 septembre 2023), avec le titre le titre So/vent-Free Process for Preparing Lithium-lon Batteries, qui est incorporé ici à titre de référence.
[0155] En outre pour afficher l’électroconductivité souhaitée pour les applications
LIB, d’autres propriétés qui peuvent contribuer à la multifonctionnalité d’un CB font intervenir un, plusieurs ou tous les éléments suivants : rugosité de surface ; chimie de surface (énergie de surface) ; résistance des particules ; et granulométrie.
[0156] Typiquement, la rugosité de surface d’un CB est liée à la porosité des particules, décrite, par exemple, par un volume des pores ou une distribution granulométrique des pores. Une rugosité de surface RMS (calculée comme étant la racine moyenne quadratique de pics et vallées microscopiques mesurés sur la surface), par exemple, est connue pour être en corrélation avec la taille de pore de surface (par exemple, ordre de grandeur similaire). Par exemple, des pores de 2 nm peuvent être révélateurs d’une rugosité de surface RMS approximative de 1 nm.
[0157] En gros, la porosité d’un CB peut se retrouver dans une ou plusieurs des catégories suivantes : microporosité, définie par des pores d’un diamètre inférieur à 2 nm ; mésoporosité, définie par des pores d’un diamètre dans la plage de 2 à 50 nm ; et macroporosité, définie par des pores ayant un diamètre supérieur à 50 nm. Des diamètres de pore et des volumes de pores moyens peuvent être déterminés conformément aux techniques décrites dans le document E.P.
Barrett, L.G. Joyner, P. P. Halenda, J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 373-380 (BJH method).
[0158] Plus en détail, la distribution granulométrique des pores et le volume des pores dans un noir de carbone peuvent être déterminés par des techniques de physisorption de gaz telles que la porosimétrie par adsorption d'azote, en mesurant l’adsorption d’azote gazeux à l’aide d’une analyse BET puis en ajustant les isothermes d'adsorption avec des modèles différents, par exemple, les BE2024/5167 modèles DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité) et BJH (Barrett-Joyner-
Halenda), en fonction de la région d’intérêt de la taille des pores. La technique du modèle d'adsorption BJH a été utilisée pour ajuster l’isotherme d’adsorption du
Na et calculer les volumes mésoporeux et macroporeux présentés ici.
[0159] Sans vouloir être lié par une interprétation particulière, on pense que les propriétés de formation de fibrilles dans des CB multifonctionnels sont dues, au moins en partie, à la macroporosité de la particule, Ies macropores jouant le rôle de points d'ancrage pour l’interverrouillage du liant sur la surface des CB et étirant le liant en fibrilles lorsque des forces de cisaillement élevé sont appliquées.
[0160] Alors que certains noirs de carbone sont des matériaux principalement microporeux, il existe des techniques pour augmenter les niveaux de porosité et/ou produire des CB avec des types de porosité adaptés.
[0161] La mise en contact d’un matériau de départ CB avec un flux oxydant, par exemple, permet d’améliorer la porosité, en particulier le caractère mésoporeux du produit CB. L’augmentation de la porosité des noirs de four peut être obtenue en allongeant le temps de séjour dans le réacteur de noir de carbone, laissant au gaz de queue du temps supplémentaire pour attaquer et graver la surface du carbone. Un autre procédé repose sur l’ajout d’ions métalliques alcalino-terreux à la charge de noir de carbone, ces ions étant connus pour catalyser la gravure du noir de carbone par le biais du gaz de queue. Les deux techniques font intervenir la gravure du CB « in situ », c'est-à-dire dans le réacteur du four lors de la production, pour créer des noirs de carbone à porosité interne. Certaines approches pouvant être utilisées pour modifier les noirs de carbone sont décrites, par exemple, dans les brevets U.S. n° 8 895 142 B2, à Kyrlidis et al. et 10 087 330 B2, à Green et al., tous deux étant incorporés à titre de référence.
D’un point de vue commercial, les noirs de carbone modifiés pouvant être utilisés sont disponibles auprès de Cabot Corporation. Les propriétés de deux spécifications de CB données à titre illustratif, à savoir les échantillons CB2 et
CB3, sont présentées dans le Tableau 2 ci-dessus. CB2 est la version gravée à la vapeur de CBS.
[0162] On a également trouvé que les propriétés de formation de fibrilles BE2024/5167 dépendaient de la chimie de surface ou de l’activité de surface, une fonction souvent apparentée au procédé de fabrication et/ou de chauffage utilisé dans la préparation d’un CB particulier. Dans de nombreux cas, la chimie de surface ou l’activité de surface est associée à des groupes contenant de l'oxygène trouvés sur la surface du CB. Dans certains modes de réalisation, de bons CB candidats de formation de fibrilles sont dépourvus de ou appauvris en groupes de surface contenant de l'oxygène, tendant à être moins hydrophiles (plus hydrophobes).
[0163] On pense par exemple qu’une formation efficace de fibrilles est due, au moins en partie, à l’affinité (adhérence) du CB au liant, par ex., un liant pouvant former des fibrilles. Ainsi, dans un mode de réalisation, les CB multifonctionnels préférés pour la formation réussie de fibrilles d’un liant tel que le PTFE sont des CB hydrophobes (à savoir, des CB qui sont dépourvus de groupes de surface contenant de l’oxygène) et/ou des CB à faible énergie de surface. La teneur en oxygène peut être mesurée par fusion de gaz inerte. Des CB à faible chimie de surface ont une teneur en oxygène dans une plage d'environ 10 ppm à environ 5 000 ppm, par ex, d'environ 100 ppm à environ 1 000 ppm.
[0164] La présence de groupes de surface contenant de l’oxygène peut être réduite ou minimisée par des techniques telles qu’un traitement thermique, ou d’autres approches de modification de surface, tel que connu dans la technique ou tel que développé dans le futur. Des CB à surface modifiée, par ex., traités thermiquement, peuvent être comparés à et différenciés des noirs de carbone normaux par diffusion de rayons X, spectroscopie Raman, mesures d'énergie de surface par adsorption de gaz, ou d’autres techniques, tel que connu dans la technique. Dans certains cas, les CB traités thermiquement et d’autres à modification de surface ont également tendance à afficher une absorption d'humidité réduite pendant le traitement. Dans le Tableau 2, CB1 est une version traitée thermiquement de CB3, tandis que CB4 est une version traitée thermiquement de CBS.
[0165] D’autres propriétés des CB à considérer dans des CB multifonctionnels candidats se rapportent à leur forme physique. La granulométrie des CB, par exemple, est une propriété qui peut être déterminée par des techniques de distribution granulométrique (PSD) et/ou microscopie électronique à balayage BE2024/5167 (MEB).
[0166] On pense également que la résistance des particules de CB (affichée par la dureté de particules et/ou la cohésion de particules) joue un rôle dans le caractère multifonctionnel du CB choisi. La résistance de particules permet au
CB d’étirer efficacement le liant polymère ; celle-ci au même titre qu’une rugosité de particules sont des propriétés mécaniques importantes pour obtenir une formation de fibrilles de liant souhaitable. La résistance de particules peut être mesurée au moyen d’un test de choc sur des pastilles individuelles, de mesures viscoélastiques oscillatoires ou d’autres techniques connues dans l’art.
[0167] Les CB peuvent être fournis en guise d’un quelconque nombre de matériaux particulaires libres. Des poudres contenant du CB vraiment floconneux, par exemple, se sont révélées particulièrement performantes dans certains des procédés par voie sèche testés. De tels matériaux pulvérulents peuvent être caractérisés par leur granulométrie, leur BET et/ou d’autres propriétés. Dans de nombreux cas, les poudres utilisées ont une densité n’étant pas supérieure à environ 100 g/cm3.
[0168] Des particules de CB moins floconneux, sous forme de pastilles broyées au jet, par exemple, peuvent également être utilisées. Les CB en poudre peuvent être transformés en pastilles à l’aide de techniques et d’un équipement connus dans la technique. Dans un exemple, un CB est transformé en pastilles avec une solution en émulsion du liant utilisé pour former la composition d’électrode décrite ici. D'autres approches ont recours à une solution d’émulsion d’un liant différent, par exemple, d’un liant qui appartient à Ia même famille chimique ou présente des groupes fonctionnellement actifs similaires pouvant se lier avec le liant utilisé pour effectuer le procédé par voie sèche ou autrement interagir avec celui-ci. On pense que, par conséquent, l'interaction énergétique du CB transformé en pastilles avec le liant utilisé pour préparer la composition d’électrode augmente.
La taille des pastilles, qui s'applique au CB pur et aux composites CB-polymère, peut se situer dans une plage d'environ 0,1 mm à environ 5 mm.
[0169] Des granules de noir de carbone peuvent également être utiles dans certaines situations. Dans de nombreux cas, les granules de CB sont une forme densifiée du CB, sans présence de polymère dans le produit final. Généralement, BE2024/5167 les granules de CB peuvent être formés par l'intermédiaire d’un procédé classique de transformation en pastilles associé à la production de CB. Il est également possible de former des granules de CB par dispersion de CB floconneux dans de l’eau, puis séchage par atomisation. Du CB granulaire peut également être fourni en guise de composite tel qu’un granule encapsulé dans un liant ou en guise de mélange maître.
[0170] Dans certains modes de réalisation, les granules utilisés changent de forme et/ou de fonction lors du traitement. Ainsi, un matériau granulaire de CB initial peut être utilisé pour traiter un liant polymère, par ex., en former des fibrilles. Un broyage fin se produisant pendant cette opération peut libérer des unités de CB plus petites. En présence d’une matière électroactive, la fragmentation des granules peut améliorer la distribution des unités plus petites de CB sur toute la composition d’électrode, ce qui conduit à des films d’électrodes ayant une conductivité électrique et/ou une résistance mécanique améliorées.
[0171] La rugosité de surface et/ou énergie de surface des granules sont souvent contrôlées en sélectionnant les particules composant les granules. Par exemple, la rugosité de surface peut être choisie en fonction de la texture de surface créée par les particules primaires et/ou des agrégats qui composent le granule secondaire. Une telle surface est rugueuse sur une échelle dimensionnelle où la rugosité est fournie par nano/microéchelle de collines et vallées sur la surface du granule de CB.
[0172] Un CB multifonctionnel en forme granulaire peut avoir une granulométrie dans la plage du micromètre, par ex., 1 à 10 um, telle que, par exemple : 1 à 8, 1 à 6, 1à4 1à2;ou2à10,2à8,2à6,2à4;o0u4à10,4à8,4à6;ou6 à 10,6 à 8 ; ou 8 à 10 micromètres. Avec certains granules, une taille initiale peut être réduite par broyage à divers degrés pour fournir des particules d’à peu près 10 micromètres jusqu’à moins de 1 micromètre. Certaines mises en œuvre utilisent une combinaison de tailles. — [0173] La résistance des granules peut également être envisagée. Elle peut être réduite au minimum en formant le granule en l'absence (ou avec une teneur minimale) de liant lors de la formation des granules ; une résistance accrue des granules peut être obtenue à l’aide de concentrations variables de liants et/ou de BE2024/5167 types différents de liants. Dans certaines mises en œuvre, le liant utilisé pour former les granules de CB est un liant identique ou similaire au liant utilisé dans le procédé par voie sèche.
[0174] Certains modes de réalisation ont recours à des granules qui sont friables, dans des conditions de traitement, par ex. de formation de fibrilles. Dans de tels cas, la résistance des granules peut être contrôlée de sorte que la résistance soit suffisamment élevée pour former des fibrilles du liant polymère ou le déformer et suffisamment faible pour que les granules tombent et libèrent des unités carbonées conductrices et de renforcement, telles que des agrégats.
[0175] Pour de nombreux procédés par voie sèche, les CNT décrits ci-dessus sont utilisés en combinaison avec un CB ayant une BET qui n’est pas supérieure à environ 1 600 m°/g et un OAN qui n’est pas supérieur à environ 650 ml/100 g.
[0176] Le CB peut avoir une BET qui n’est pas supérieure à environ 1 600 m?/g, par ex., n'étant pas supérieure à environ : 1 500, 1 400, 1 300, 1 200, 1 100, 1 000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 100 ou 50 m°/g. La BET peut être dans une plage d’environ 35 à environ 1 600, telle que, par exemple, dans une plage d’environ 35 à environ : 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500 ; ou d’environ 100 à environ : 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d’environ 200 à environ : 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d'environ 300 à environ : 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d'environ 400 à environ : 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d’environ 500 à environ : 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d'environ 600 à environ : 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d’environ 700 à environ 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d'environ 800 à environ : 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d'environ 900 à environ : 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d’environ 1 000 à environ : 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d'environ 1 100 à environ : 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d’environ 1 200 à environ : 1 300, 1 400,
1 500, 1 600 ; ou d'environ 1 300 à environ 1 400, 1 500, 1 600 ; ou d’environ BE2024/5167 1 400 à environ : 1 500, 1 600 ; ou d'environ 1 500 à environ 1 600 m2?/g.
[0177] Le CB utilisé dans le procédé par voie sèche décrit ici peut avoir un OAN qui n’est pas supérieur à environ 650 ml/100 g, par ex., pas supérieur à environ 500, pas supérieur à environ 400, pas supérieur à environ 300, pas supérieur à environ 250, pas supérieur à environ 200, pas supérieur à environ 150, pas supérieur à environ 120 ml/100 g. Le CB multifonctionnel peut avoir un OAN dans la plage d'environ 120 à environ 650 ml/100 g, par ex., d'environ 120 à environ 200, à environ 300, à environ 400, à environ 500 ml/100 g, à environ 600, à environ 650 mlI/100 g ; ou d'environ 200 à environ 300, à environ 400, à environ 500, à environ 600, à environ 650 mlI/100 g ; ou d’environ 300 à environ 400, à environ 500, à environ 600, à environ 650 ml/100 g ; ou d’environ 400 à environ 500, ou à environ 600, à environ 650 ml/100 g ; ou d’environ 500 à environ 600, à environ 650 mlI/100 g ; ou d'environ 600 à environ 650 mI/100 g.
[0178] Des anodes de LIB, contenant du graphite, par exemple, peuvent être préparées par un procédé par voie sèche dans lequel des CNT sont utilisés en combinaison avec un CB ayant une BET qui n’est pas supérieure à environ 1 600 m?/g, telle que pas supérieure à environ 1 200, pas supérieure à environ 1 000, pas supérieure à environ 700, pas supérieure à environ 500, pas supérieure à environ 200, pas supérieure à environ 100, ou pas supérieure à environ 35 m°/g. La BET peut être dans une plage d'environ 35 à environ 1 600 m°/g. Par exemple, la BET peut être dans une plage d'environ 35 à environ 50, à environ 75, à environ 100, à environ 150, à environ 200 ; ou d'environ 50 à environ 75, à environ 100, à environ 150, à environ 200 ; ou d'environ 75 à environ 100, à environ 150, à environ 200 ; ou d'environ 100 à environ 150, à environ 200 ; ou d’environ 150 à environ 200 m°/g. Dans un exemple, le CB choisi a une BET dans une plage d’environ 50 à environ 200 mg.
[0179] Pour des applications anodiques, le CB utilisé en combinaison avec des CNT peut avoir un OAN qui n’est pas supérieur à environ 650 ml/100 g, par ex., pas supérieur à environ 500, pas supérieur à environ 400, pas supérieur à environ 300, pas supérieur à environ 240, pas supérieur à environ 200, pas supérieur à environ 150, pas supérieur à environ 120 ml/100 g. Dans un mode de réalisation, le CB choisi pour préparer une anode de LIB par un procédé par voie sèche a un
OAN dans une plage d’environ 120 à environ 650 mI/100 g, tel que dans une BE2024/5167 plage d'environ 120 à environ 150, à environ 200, à environ 240, à environ 300 ml/100 g ; ou d’environ 150 à environ 200, à environ 240, à environ 300 ml/100 g ; ou d’environ 200 à environ 240, à environ 300 ml/100 g ; ou d’environ 240 à environ 300 ml/100 g. Dans un exemple, le CB choisi a un OAN dans une plage d’environ 130 à environ 240 ml/100 g.
[0180] Des cathodes de LIB, ayant recours, par exemple, à un composé de métal de transition au lithium, peuvent être préparées par un procédé par voie sèche qui utilise des CNT en combinaison avec un CB ayant une BET qui est au moins environ 2 m?/g, telle qu’au moins environ : 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, jusqu’à environ 1 600 m°/g.
La BET peut être dans une plage d’environ 500 à environ 1 600 m°/g, telle que dans une plage d’environ 500 à environ : 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500 m°/g ; ou d'environ 600 à environ : 700, 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 m°/g ; ou d'environ 700 à environ : 800, 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500 1 600 m?/g ; ou d’environ 800 à environ : 900, 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 m°/g ; ou d’environ 900 à environ : 1 000, 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 m°/g ; ou d’environ 1 000 à environ 1 100, 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 m°/g ; ou d’environ 1 100 à environ : 1 200, 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 m?/g ; ou d’environ 1 200 à environ 1 300, 1 400, 1 500, 1 600 m2/g ; ou d’environ 1 300 à environ : 1 400, 1 500, 1 600 m°/g ; ou d'environ 1 400 à environ : 1 500, 1 600 m°/g ; ou d’environ 1 500 à environ 1 600 m?/g. Dans un exemple, le CB choisi a une BET dans une plage d'environ 1 350 à environ 1 600 m?/g. Dans un autre exemple, le CB choisi a une BET dans une plage d'environ 50 à environ 190, telle que dans une plage d'environ 90 à environ 100 m°/g. Dans un autre exemple, le CB a une BET entre 500 et 650 m°/g.
[0181] Pour des applications cathodiques, le CB utilisé en combinaison avec des
CNT peut avoir un OAN pas supérieur à environ 650 ml/100 g, par ex., pas supérieur à environ 600, pas supérieur à environ 500, pas supérieur à environ 500, pas supérieur à environ 400, pas supérieur à environ 300, pas supérieur à environ 250, pas supérieur à environ 200, descendant jusqu’à environ 120 mI/100 g. Le CB peut avoir un OAN dans la plage de 120 à environ 250, à environ 350, à environ 450, à environ 550, à environ 650 ; ou d'environ 250 à BE2024/5167 environ 350, à environ 450, à environ 550, à environ 650 ; ou d’environ 350, à environ 450, à environ 550, à environ 650 ; ou d'environ 450 à environ 550, à environ 650 ml/100 g ; ou d'environ 550 à environ 650 ml/100 g. Dans un exemple, le CB choisi a un OAN dans une plage d’environ 180 à environ 650 ml/100 g. Dans un autre exemple, le CB a un OAN dans une plage d’environ 250 à environ 650 ml/100 g.
[0182] Dans de nombreux cas, des CB qui peuvent être utilisés pour préparer des cathodes de LIB par le procédé par voie sèche décrit ici ont une BET dans une plage d'environ 80 à environ 1 600 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 120 à environ 650 mlI/100 g. Un CB donné à titre illustratif qui peut être utilisé pour préparer une cathode de LIB a une surface spécifique BET relativement élevée (par ex., dans une plage d’environ 1 350 à environ 1 600 m°/g), couplée à un
OAN relativement faible (par ex., dans une plage d’environ 120 à environ 220 ml/100 g). Un autre CB donné à titre illustratif qui peut être utilisé pour préparer une cathode de LIB a une surface spécifique BET dans une plage d’environ 80 à environ 200 m°/g et un OAN dans une plage d’environ 140 à environ 280 m?/g, tel qu’environ 240 ou moins, dans une plage d’environ 140 à environ 180 ml/100 g, par exemple. Un autre CB donné à titre illustratif a une
BET dans une plage d'environ 500 à environ 1 600 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 180 à environ 650 ml/100 g. Encore un autre CB donné à titre illustratif qui peut être utilisé pour préparer une cathode de LIB a une surface spécifique BET inférieure à 650 m?/g (par ex., dans une plage d’environ 500 à environ 650 m?/g) et un OAN dans une plage d’environ 180 à environ 260 mI/100 g.
[0183] Dans de nombreux cas, des TCM qui peuvent être utilisés pour préparer des anodes de LIB par le procédé par voie sèche décrit ici ont une BET dans une plage d'environ 35 à environ 1 600 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 120 à environ 650 mlI/100 g. Un CB donné à titre illustratif qui peut être utilisé pour préparer une anode de LIB a une surface spécifique BET relativement faible (par ex., dans une plage d’environ 50 à environ 200 m?/g) couplée à un OAN dans une plage d’environ 130 à environ 240 ml/100 g.
[0184] En plus des propriétés BET et OAN mentionnées ci-dessus, de nombreux CB | BE2024/5167 qui peuvent être utilisés sont caractérisés par un ou plusieurs des éléments suivants : une énergie de surface inférieure ou égale à environ 15 mJ/m2, une taille planaire microcristalline Raman (La) d’au moins environ 17 À, un volume mésoporeux d’au moins environ 0,1 cm#/g, un volume macroporeux d’au moins environ 0,2 cm?3/g, et un volume total mésoporeux et macroporeux d’au moins environ 1 cm?/g.
[0185] Plus en détail, le CB peut avoir une énergie de surface (SEP) inférieure ou égale à 15 mJ/m2, par exemple, d’environ 1 à environ 10 mJ/m2, telle que d’environ 1 à : environ 3, environ 5, environ 7, environ 9 mJ/m2 ; ou d'environ 3 à : environ 5, environ 7, environ 9, environ 10 mJ/m2 ; ou d’environ 5 à : environ 7, environ 9, environ 10 mJ/m? ; ou d’environ 7 à : environ 9, environ 10 mJ/m2 ; ou d’environ 9 à environ 10 mJ/m?.
[0186] Dans de nombreuses mises en œuvre, le CB a une taille de cristallite La d’au moins 17 À, par exemple, de 17 À à 50 À. Par exemple, le CB peut avoir une taille de cristallite La d’environ 17 À à : environ 20, environ 30, environ 40 À ; ou d’environ 20 À à environ 30, à environ 40, à environ 50 À ; ou d'environ 30 À à : environ 40, environ 50 À ; ou d'environ 40 à environ 50 À.
[0187] Par rapport à la porosité, le CB peut avoir un volume mésoporeux d’au moins 0,1 cm3/g, par ex., au moins 0,35 cm#/g, par exemple, d’environ0,35 à environ 2 cm?3/g, et un volume total mésoporeux et macroporeux d’au moins 0,2 cm“/g, par ex., d’environ 0,2 à environ 3 cm?/g.
[0188] Dans certaines mises en œuvre, le volume mésoporeux est d’environ 0,35 à : environ 0,5, environ 1, environ 1,5 ; d'environ 0,5 à : environ 1, environ 1,5 cm?/g, environ 2 ; ou d'environ 1 à : environ 1,5, environ 2 ; ou d'environ 1,5 à environ 2 cm3/g. Dans d’autres modes de réalisation, Ie volume mésoporeux est dans une plage d’environ 0,1 à environ 3 cm?/g.
[0189] Certains CB qui peuvent être utilisés pour la préparation de compositions de cathode par le procédé par voie sèche décrit ici ont une macroporosité d'au moins 0,2, par ex., au moins 0,4 cm3/g. Dans le cas des compositions d’anode, certains CB appropriés auront une macroporosité d’au moins 0,1, par ex., dans une plage d’environ au moins 0,1 à environ 0,4 cm?/g.
[0190] Les volumes totaux mésoporeux et macroporeux caractérisant des CB qui BE2024/5167 peuvent être utilisés pour préparer une composition d’électrode par un procédé sans solvant peuvent être au moins 0,2 cm*/g, typiquement supérieurs. Dans un exemple, un CB utilisé pour préparer une composition d’anode a un volume total mésoporeux et macroporeux dans une plage d’environ 0,2 à environ 0,8 cm?/g.
Dans le cas des cathodes, le CB peut avoir une mésoporosité et une macroporosité totales qui sont d’au moins 1 cm3/g.
[0191] Dans certains exemples, le CB multifonctionnel a une cristallinité en % d’au moins 22 %, par exemple, de 23 % à 50 %, telle que dans une plage d’environ 23 à environ : 30, 35, 40, 45 % ; ou d'environ 30 à environ : 35, 40, 45, 50 % ; ou d'environ 35 à environ : 40, 45, 50 % ; ou d’environ 40 à environ : 45, 50 % : d’environ 45 à environ 50 %.
[0192] Dans une illustration, le CB est choisi pour combiner une surface spécifique suffisante (mesurée par adsorption de N2 BET, par exemple) pour un meilleur traitement de liant, par ex., une formation de fibrilles, tout en garantissant que les agglomérats de CB particuliers utilisés (par ex., des pastilles de CB ou des particules de CB broyées par jet) peuvent se dégrader en particules suffisamment petites, par ex., inférieures à 2 micromètres (um), pour maximiser les interactions de surface entre la particule de CB et le liant et ainsi traiter efficacement le liant, par ex., en former des fibrilles.
[0193] Plus d’un type de CB peut être utilisé conjointement avec les constituants des
CNT. Dans certaines mises en œuvre, un CB multifonctionnel est fourni conjointement avec un deuxième CB (qui peut être ou ne pas être multifonctionnel), dans un mélange de CB, par exemple. Un exemple utilise au moins deux noirs de carbone ayant une ou plusieurs caractéristiques différentes les unes des autres, par ex., par rapport à leur BET. Il est également possible de réaliser des mélanges de noirs de carbone avec des structures OAN différentes les unes des autres et/ou des mélanges de différentes morphologies de carbone, c'est-à-dire du charbon actif ou du graphite avec un ou plusieurs CB. Dans des exemples spécifiques, au moins un composant dans le mélange est un CB multifonctionnel.
[0194] Des exemples de matériaux de CB appropriés qui peuvent être utilisés BE2024/5167 comportent des spécifications disponibles dans le commerce telles que : CB de la série Vulcan® tel que Vulcan® XCmax 22, CB de la série Black Pearls® tel que le noir de carbone Black Pearls 2000, CB de la série PBX® tel que PBX 51,
CB de la série LITX® tel que LITX HP, LITX MAX 90 de Cabot Corporation
[0195] Les rapports du constituant de CNT au constituant de CB peuvent être dans une plage d’environ 99:1 à environ 1:99, tels que dans une plage d'environ 10:90 à environ 60:40.
[0196] Dans de nombreux cas, le procédé sans solvant décrit ici est mené en l'absence d’auxiliaires de formation de fibrilles autres que les CNT ou une combinaison de CNT et de CB. Un autre agent de formation de fibrilles, de l'AC par exemple, peut être ajouté dans certaines situations. Tel qu'il est utilisé ici, le terme « auxiliaire de formation de fibrilles » ou « agent de formation de fibrilles » est un matériau autre que le liant ou la matière active d’électrode et qui favorise la formation de fibrilles d’un liant pouvant former des fibrilles. Un auxiliaire, additif, agent « additionnel », « supplémentaire » ou « autre », etc. se réfère à un matériau autre que (c'est-à-dire un matériau qui exclut ou n’est pas) le matériau de CNT ou la combinaison CNT-CB décrite ci-dessus. Typiquement, l’auxiliaire additionnel de formation de fibrilles n’est pas considéré comme multifonctionnel.
[0197] Certains exemples donnés à titre illustratif utilisent des CNT (ou une combinaison de CNT et d’un CB, qui peut être multifonctionnel), au même titre qu’un autre matériau (additionnel), typiquement inclus en guise d’ingrédient discret (séparé). Des exemples de tels autres matériaux ou matériaux additionnels peuvent comporter un agent classique de formation de fibrilles tel que AC, un carbone dur, du graphite, des graphènes, d’autres additifs conducteurs ne formant pas de fibrilles, des plastifiants, ou une combinaison quelconque de ceux-ci. Dans certaines applications, les CNT ou un mélange de
CNT avec du CB sont combinés avec un AC dans un rapport dans une plage d’environ 95:5 à environ 50:50.
[0198] Pour de nombreuses mises en œuvre, les ingrédients décrits ici (les CNT, le
CB, VAM, le liant, d’autres additifs facultatifs, etc.) sont fournis en guise de matériaux particulaires libres tels que des poudres, flocons, billes, granules, BE2024/5167 pastilles coulant ou pouvant être versés, et ainsi de suite.
[0199] Comme déjà noté, de nombreux aspects de l'invention concernent des procédés de production de compositions d’électrodes, de produits d’électrode (par ex., des films), d’électrodes (dans lesquelles un produit d’électrode tel qu’un film a été appliqué sur un substrat conducteur), et/ou de batteries.
[0200] S'agissant tout d’abord du procédé par voie sèche utilisé pour préparer une composition d’électrode, la réalisation de ce procédé vise au moins deux objectifs : mélanger certains et typiquement tous les constituants, constituants qui, dans la plupart des cas, sont fournis sous la forme de particules libres (par ex., coulant ou pouvant être versées) ; et le traitement du liant en présence de
CNT (ou d’une combinaison de CNT et d’au moins un CB, par ex, un CB multifonctionnel. Dans certains modes de réalisation, chacun de ces deux objectifs est satisfait par une ou plusieurs opérations de mélange effectuées dans des conditions de cisaillement spécifiques, en utilisant un équipement approprié.
[0201] Un mélange à faible cisaillement, par exemple, peut être choisi pour distribuer les ingrédients, aussi uniformément que possible, par exemple à l’aide d’un laminoir. Tel qu’il est utilisé ici, le terme « mélange à faible cisaillement » désigne le mélange mené dans des conditions qui ne sont pas suffisantes ou pas sensiblement suffisantes pour former des fibrilles d'un liant pouvant former des fibrilles. S’appuyer sur des conditions de mélange à faible cisaillement permet également d'éviter des fragmentations excessives de particules, ce qui est souvent le cas pour certaines matières électroactives.
[0202] Dans de nombreux modes de réalisation, Ie traitement du liant en présence de CNT (ou d’une combinaison CNT-CB) est mené sous mélange à cisaillement élevé. Tel qu’il est utilisé ici, Ie terme « mélange à cisaillement élevé » désigne des conditions de cisaillement qui sont suffisamment vigoureuses pour déformer (par ex., allonger, enchevêtrer) un liant à un degré suffisant pour préparer une électrode à film par une technique sans solvant. Dans le cas des liants pouvant former des fibrilles, le mélange à cisaillement élevé se réfère à un mélange dans des conditions de cisaillement suffisantes pour former des fibrilles du liant.
[0203] Sans vouloir être lié par une interprétation particulière, on pense que, en BE2024/5167 présence de CNT (facultativement en combinaison avec un CB, par ex., un CB multifonctionnel) et dans des conditions de cisaillement élevé, un polymère liant est déformé, devenant étiré, allongé et/ou enchevêtré. Les attributs d’énergie de surface et/ou de rugosité de surface peuvent faciliter la saisie du polymère liant ; les CNT, le CB facultatif et le polymère peuvent être écrasés entre les particules électroactives, ce qui a pour effet d’étirer Ie polymère liant. Avec des CNT et, facultativement, des particules de CB dispersées dans le liant ou sur la surface du liant, on pense que ces particules peuvent maintenir ensemble des domaines polymères voisins. Parmi d’autres facteurs contributifs figurent les interactions polymère/polymère (qui sont prévues augmenter avec l'augmentation des allongements de polymère et/ou avec des forces de cisaillement multidirectionnelles), les interactions particules électroactives/liant polymère (qui peuvent se rapporter à énergie de surface), et/ou d’autres facteurs.
[0204] Dans les mêmes ou sensiblement Ies mêmes conditions de cisaillement élevé, ces manifestations tendent à devenir plus prononcées lorsque le liant utilisé est un liant pouvant former des fibrilles. La surface et d’autres propriétés des CNT (ou des CNT et du CB) peuvent favoriser l’accrochage du polymère ici et là. Avec toutes les particules se déplaçant dans la mélange à cisaillement élevé, le polymère devient allongé, formant des brins très longs, très fins (ayant un rapport d’aspect élevé). Typiquement, ces effets seront moins marqués avec un liant ne pouvant pas former de fibrilles traité dans les mêmes ou sensiblement les mêmes conditions de cisaillement élevé. Ou, autrement dit, un liant ne pouvant pas former de fibrilles peut nécessiter des conditions de cisaillement élevé accrues pour obtenir des résultats approchant la formation complète de fibrilles.
[0205] En plus des contributions au traitement décrites ci-dessus, les CNT ou les combinaisons de CNT et de CB peuvent améliorer la conductivité électrique et, dans de nombreux cas, peuvent agir comme un renforcement mécanique en maintenant ensemble des liants polymères pouvant former des fibrilles et ne pouvant pas former de fibrilles qui sont « déformés » (allongés, enchevêtrés, etc.) dans une mesure plus ou moins grande, ou « non déformés » (de forme globulaire, arrondie, sphérique, etc.).
[0206] Dans certaines situations, un mélange à cisaillement élevé peut également BE2024/5167 être utilisé pour briser les particules en fragments plus petits. Des particules de plus grande taille de CNT et/ou de CB, ou des granules tels que des pastilles, par exemple, peuvent être broyés finement en particules plus petites qui s’étalent uniformément sur toute la composition d’électrode, améliorant de ce fait la conductivité électrique et/ou les propriétés mécaniques. Dans un exemple, avant que les CNT aient été soumis à un mélange (en particulier un mélange à cisaillement élevé), la distribution granulométrique Dso des CNT initiaux utilisés peut être dans une plage d’environ 60 à environ 500 um, par exemple, dans la plage d'environ 70 à environ 300, par exemple, d’environ 100 à environ 200 um.
En conséquence de la soumission des CNT à un mélange à cisaillement élevé, les particules de CNT de départ peuvent se briser en particules plus petites ayant, par exemple, une granulométrie dans une plage d’environ 5 à environ 100 um, par ex., d’environ 10 à environ 30 um.
[0207] Des valeurs de cisaillement spécifiques peuvent dépendre de l'échelle de l'opération, des matériaux concernés, du type d'équipement de mélange et/ou d’autres facteurs. Des paramètres de mélange faible ou élevé peuvent être déterminés ou optimisés en fonction de l'expérience préalable, des expériences de routine, et ainsi de suite.
[0208] Les constituants peuvent être combinés dans un quelconque ordre conçu pour obtenir un mélange, de préférence un mélange bien dispersé, par ex., avec une distribution uniforme des constituants, en d’autres termes un mélange qui est homogène. Dans un exemple, les CNT sont dispersés de manière homogène sur la surface de la matière électroactive et le liant. Si un CB est utilisé, il peut être mélangé aux CNT pour former un prémélange. Dans une approche différente, les
CNT et le CB peuvent être ajoutés individuellement à un ou plusieurs autres ingrédients. Cet ajout peut être simultané ou séquentiel.
[0209] Un traitement du liant (par ex., une formation de fibrilles) peut être effectué sur un quelconque mélange ou prémélange qui rassemble les CNT (facultativement en combinaison avec le CB, par ex., un CB multifonctionnel) et le liant.
[0210] Des techniques appropriées qui peuvent être utilisées ou conçues pour mener BE2024/5167 les étapes de mélange et/ou de traitement de liant, par ex., une formation de fibrilles, comportent une agitation mécanique, une agitation, un brassage, etc., et peut dépendre d'équipements tels que des broyeurs à jet, des broyeurs à tubes, des mélangeurs acoustiques, des extrudeuses, des mélangeurs planétaires, d’autres dispositifs de mélange, par ex., des mélangeurs à l’échelle du laboratoire, un équipement approprié pour des évaluations à l’échelle pilote, pour une fabrication industrielle à grande échelle et ainsi de suite.
[0211] Les séquences pas-à-pas peuvent avoir recours à un type d'appareil pour mener la première opération (par ex., la préparation d’un prémélange), et un autre type d'appareil dans l’opération ultérieure (la formation de fibrilles, par exemple). Il en va de même pour les paramètres de cisaillement et/ou d’autres paramètres de mélange.
[0212] Dans un mode de réalisation, des CNT (ou une combinaison de CNT et de
CB) sont tout d’abord combinés avec le liant en utilisant un équipement à cisaillement élevé pour traiter le liant, par ex., en former des fibrilles. S’il est utilisé, le CB peut être ajouté séparément des CNT ou dans un prémélange avec les CNT. Dans certains cas, l’opération de cisaillement élevé brise également les particules d’additif multifonctionnel (granules transformés en pastilles ou autres matières particulaires susceptibles de broyage fin dans des conditions de cisaillement élevé) en fragments plus petits. Le mélange ainsi obtenu est alors combiné avec la matière électroactive (le graphite dans un exemple) ; l’utilisation de conditions de cisaillement faible lors de cette étape favorise la conservation de la granulométrie (de la matière électroactive, par exemple).
[0213] Dans un autre mode de réalisation, des CNT (ou des CNT et un CB, ajoutés individuellement ou dans un prémélange) sont tout d’abord combinés à la matière électroactive dans une étape de prémélange menée sous faible cisaillement, par exemple, pour obtenir une distribution uniforme de ces constituants. Le mélange ainsi obtenu est combiné avec le liant, suivi par un traitement, par ex., une formation de fibrilles, à l’aide de conditions de cisaillement élevé.
[0214] Dans un autre mode de réalisation, la matière active électrochimique, le liant et les CNT (ou une combinaison de CNT et d’un CB) sont tous mélangés (par ex., dans des conditions de cisaillement faible) ; le mélange est ensuite soumis à BE2024/5167 des conditions de cisaillement élevé pour traiter le liant, par ex, en former des fibrilles.
[0215] D’autres séquences sont possibles. Par exemple, la matière électroactive peut être préalablement mélangée avec le liant, suivi par l’ajout des CNT (ou de
CNT et d’un CB) et le traitement, par ex., la formation de fibrilles, dans des conditions de cisaillement élevé.
[0216] Une opération de mélange à cisaillement faible et/ou de traitement, par ex., une formation de fibrilles, peut être menée dans une ou plusieurs (deux, trois, quatre, cinq, six, etc.) étapes ou impulsions de mélange qui peuvent durer pendant une période appropriée, par ex., dans une plage d’environ 10 secondes à environ 5 minutes, par ex., dans une plage d'environ 30 secondes à environ une minute, à environ 90 secondes, à environ 2 minutes, à environ 2,5 minutes, à environ 3 minutes, à environ 4 minutes, à environ 5 minutes ; d'environ 1 minute à environ 90 secondes, à environ 2 minutes, à environ 3 minutes, à environ 4 minutes, à environ 5 minutes ; d'environ 90 secondes à environ 3 minutes, à environ 4 minutes, à environ 5 minutes ; d’environ 2 minutes à environ 3 minutes, à environ 4 minutes, à environ 5 minutes ; d’environ 3 minutes à environ 4 minutes, à environ 5 minutes ; d'environ 4 minutes à environ 5 minutes.
Différents intervalles de temps peuvent également être utilisés. La durée de deux, plusieurs ou toutes les impulsions peut être identique ou différente.
[0217] Une impulsion peut être suivie d’un repos ou d’une période de refroidissement. Les périodes de repos peuvent être à température ambiante, par ex., la température de la pièce. Le refroidissement peut être à une température inférieure à la température ambiante, par ex., inférieure à la température de la pièce, souvent à 0 °C ou moins, par exemple à une température dans une plage d’environ -5 à environ 5 °C.
[0218] La période de repos ou de refroidissement peut dépendre des températures atteintes lors du mélange, des quantités manipulées, et ainsi de suite. Dans de nombreux cas, le refroidissement durera quelques minutes, par ex. 10 minutes à une demi-heure ou plus. Les périodes de refroidissement peuvent varier en termes de durée et/ou de conditions de température.
[0219] À des fins d'illustration, une composition contenant un liant peut être soumise BE2024/5167 à un mélange à cisaillement élevé à environ 25 000 tr/min à environ 10 000 tr/min, facultativement à environ 18 000 tr/min pendant une demi-minute, puis refroidie à une température de congélation ou moins, par ex., à environ - °C, pendant 10 minutes. Un mélange à faible cisaillement peut être mené à environ 2 000 tr/min jusqu’à environ 4 000 tr/min, pendant 1 minute suivi d’un refroidissement pendant 10 minutes à environ 0 °C.
[0220] Dans un exemple, un prémélange de CNT et de matière électroactive est préparé à l’aide d’un mélangeur acoustique, pendant plusieurs minutes, dans un 10 exemple, à une force de 100 G. Le mélange ainsi obtenu est combiné avec le liant à des paramètres de formation de fibrilles, par ex., en utilisant un broyeur à jet à l’échelle du laboratoire au rapport de pression de 100-90-90-10 psi.
[0221] Dans un autre exemple, tous les composants sont mélangés dans un broyeur à tubes (tel qu’un IKA TubeMill 100) à 25 000 tr/min dans une approche pulsée dans laquelle le mélange est alterné avec des périodes de repos, suivi d’une opération de mélange de durée plus longue.
[0222] Les opérations et/ou conditions de procédé utilisées pour former la composition d’électrode peuvent préserver l'intégrité de certains ou de tous les
CNT initiaux utilisés, qui resteront intacts. Dans certains cas, cependant, un matériau de CNT initial peut être brisé en unités de CNT plus petites, générer des fragments de CNT, par exemple. Sauf pour leurs tailles réduites, les fragments de CNT partagent généralement les propriétés des CNT intacts et peuvent être identifiés par microscopie électronique et d’autres techniques, tel que décrit ci-dessus. Le cisaillement appliqué peut répartir ces fragments dans toute la composition. Sans vouloir être lié à une interprétation particulière, on pense que les CNT, ainsi que les CNT broyés finement, répartis, par ex., uniformément, dans la composition d’électrode, peuvent avoir pour résultat des électrodes avec une conductivité électrique améliorée et/ou des propriétés mécaniques souhaitables.
[0223] Si l’additif de CNT est fourni sous la forme d’agrégats, de faisceaux ou de cordes de CNT, ceux-ci peuvent être broyés finement ou séparés en particules plus petites dans les opérations et/ou conditions utilisées pour former la composition d’électrode. Des particules plus petites, des faisceaux plus fins ou BE2024/5167 encore des CNT individuels sont ensuite répartis dans toute la composition, contribuant à des attributs mécaniques et/ou électriques souhaitables.
[0224] Des étapes de mélange et/ou de traitement, par ex, de formation de fibrilles, peuvent être suivies par inspection visuelle, calandrage manuel, rhéologie des poudres, ou une autre technique appropriée. Par exemple, une petite quantité peut être manipulée manuellement et cisaillée ou passée à travers une calandre.
Les points finaux peuvent être établis en fonction de l'expérience, des expériences de routine, de inspection visuelle et ainsi de suite. La réussite de ces opérations peut également être déterminée par des techniques de MEB, de performances et/ou d'autres techniques typiquement menées sur le produit d’électrode, par exemple, un film d’électrode.
[0225] La composition d’électrode ainsi obtenue peut être sous la forme de pastilles, de poudres (souvent floconneuses), de composites tels que des granules encapsulés dans un polymère (mélange maître) ou d’autres formes de matériaux particulaires coulant librement ou libres.
[0226] Dans une étape facultative, la composition d’électrode peut être tamisée pour éliminer les amas indésirables.
[0227] La composition d’électrode comprendra typiquement des CNT, facultativement en combinaison avec un constituant de CB, une matière active d’électrode, et un liant « traité ». Certaines compositions d’électrode de produit, en particulier celles préparées avec un liant pouvant former des fibrilles, comporteront un liant de post-formation de fibrilles (également dénommé ici «liant ayant formé des fibrilles »), présentant souvent des fibrilles à rapports d'aspect élevés. Des compositions préparées avec des liants ne pouvant pas former de fibrilles présenteront encore un liant qui est « déformé » (allongé, enchevêtré, etc.) mais peut-être dans une moindre mesure que ce qui est observé avec des liants pouvant former des fibrilles dans les mêmes ou sensiblement les mêmes conditions de formation de fibrilles. Un liant traité, par ex., ayant formé des fibrilles, peut être détecté par des techniques décrites ci- dessus. La réussite du traitement de liant, par ex., de la formation de fibrilles, est souvent reflété par la qualité de l’électrode ainsi obtenue (film d’électrode par exemple). Dans certains cas, des compositions d’électrodes préparées avec des BE2024/5167 liants ne pouvant pas former de fibrilles vont comporter un liant qui est « non déformé » (de forme globulaire, arrondie, sphérique, etc.). Même dans de tels cas, les CNT (facultativement conjointement avec un CB) peuvent jouer le rôle de liant et de renforcement mécanique de l’électrode.
[0228] En fonction du poids total de la composition d’électrode, les CNT multifonctionnels peuvent être présents en une quantité dans une plage d’environ 0,1 à environ 10 % en poids, par ex, d'environ 0,3 à environ 5,0 % en poids, par ex., d'environ 0,3 à environ 3 % en poids. Dans un mode de réalisation, par exemple, les CNT représentent entre 3 et 5 % en poids de la composition d’électrode de produit, tels que, par exemple, entre 3 et: 3,5, 4 ou 4,5 % en poids ; entre 3,5 et : 4, 4,5 ou 5 % en poids ; ou de 4 et : 4,5 ou 5 % en poids ; ou de 4,5 et 5 % en poids. Dans un autre mode de réalisation, les CNT sont présents en une quantité dans une plage d’environ 0,3 à : environ 0,5, environ 1,0, environ 1,5, environ 2,0, environ 2,5 ; ou d'environ 0,5 à : environ 1,0, environ 1,5, environ 2,0, environ 2,5, environ 3 ; ou d’environ 1,0 à : environ 1,5, environ 2,0, environ 2,5, environ 3,0 ; ou d’environ 1,5 à : environ 2,0, environ 2,5, environ 3,0 ; ou d’environ 2,0 à : environ 2,5, environ 3,0 ; ou d’environ 2,5 à environ 3,0. Dans de nombreux cas, les CNT sont fournis en une quantité non supérieure à environ 5 % en poids en fonction du poids total de la composition d’électrode. Des quantités spécifiques au sein de ces plages aussi bien qu’à l'extérieur peuvent être choisies. Des quantités identiques ou similaires peuvent être utilisées avec des mélanges de CNT avec du CB.
[0229] Dans de nombreux cas, la quantité de CNT (ou une combinaison CNT-CB) est égale ou, de préférence, inférieure à la quantité d’AC nécessaire pour obtenir la même ou sensiblement la même performance d’électrode. Dans une approche alternative, l’atteinte d’un niveau de performance établi avec IAC est censée nécessiter des quantités inférieures de CNT (ou des mélanges CNT-CB), libérant du volume supplémentaire pour la matière électroactive.
[0230] Dans une composition d’anode de graphite de LIB servant d'illustration, par exemple, le chargement des CNT (ou celui de CNT en combinaison avec du CB) n’est pas supérieur à environ 5 % en poids et souvent pas supérieur à environ 3 % en poids, par exemple pas supérieur à 1 % en poids. Dans des exemples spécifiques, le chargement est dans la plage d'environ 0,1 % en poids à 1,0% en BE2024/5167 poids, tel que, dans la plage d’environ 0,1 à environ 0,5, ou d’environ 0,5 à environ 1 % en poids. D’autres exemples ont recours à un chargement dans la plage d'environ 1 à environ 5 % en poids, par ex., un chargement d’au moins environ 4,5, 4,0, 3,5, 3,0, 2,5, 2,0 ou 1,5.
[0231] Dans une composition de cathode de NCM servant d'illustration, des CNT (ou une combinaison CNT-CB) sont présents en des quantités inférieures ou égales à environ 5 % en poids, par ex., pas supérieures à environ 3 % en poids, par exemple, pas supérieures à 1 % en poids. Dans des exemples spécifiques, le chargement de l’additif multifonctionnel est dans la plage d'environ 0,1 % en poids à 1,0 % en poids, tel que, dans la plage d'environ 0,1 à environ 0,5, ou d'environ 0,5 à environ 1 % en poids. D'autres exemples ont recours à un chargement dans la plage d’environ 1 à environ 5 % en poids, par ex., un chargement d’au moins environ 4,5, 4,0, 3,5, 3,0, 2,5, 2,0 ou 1,5.
[0232] Les quantités relatives de CNT (ou d’une combinaison CNT-CB) par rapport au liant pouvant former des fibrilles peuvent être dans un rapport de 5:1 à 0,1:10, par ex., d’environ 1:1 à 0,1:10, de 0,5:1 à 0,1:10 ; de 5:1 à 0,5:10, de 5:1 à 1:5; de 5:1 à 5:10 en poids. Dans des cas spécifiques, le rapport pondéral est de 1:1.
[0233] Dans un mode de réalisation, la composition d’électrode contient une matière active en une quantité allant d’environ 90 % en poids à environ 99 % en poids, par ex., à 98,0 % en poids, un liant pouvant former des fibrilles en une quantité d’environ 1 % en poids à environ 5 % en poids et des CNT ou des combinaisons de CNT-CB en une quantité d'environ 0,3 % en poids à environ 5 % en poids.
[0234] Après mélange et traitement, par ex., une formation de fibrilles, la composition, facultativement tamisée, peut être formée en une électrode de produit par une quelconque technique appropriée connue dans la technique ou développée dans le futur. Dans un mode de réalisation, la composition est formée en un film par calandrage, une opération qui peut être menée à une température égale ou supérieure à la température ambiante, par ex., à une température similaire ou proche de la température de transition vitreuse du polymère. Dans une opération typique de calandrage, la composition est soumise à une chaleur et une pression à l’aide d’une extrudeuse. La matière ramollie est passée à travers des cylindres de calandrage (verticaux, par exemple) pour BE2024/5167 préparer une feuille ou un film d’électrode de produit. Dans de nombreux modes de réalisation, le film est autoportant (ou autoporteur), une propriété pouvant être décrite à l’aide d’un film de 150 um d'épaisseur qui tient tout seul, une partie quelconque du film n'étant pas en contact avec un type quelconque de support, par ex., un substrat.
[0235] Une épaisseur de film souhaitée peut être obtenue en ajustant l’espace entre les cylindres, et, dans certaines situations, d’autres paramètres de procédé.
[0236] La température de cylindre peut être, par exemple, d’environ la température ambiante (20 °C) à environ 200 °C. Des températures élevées de cylindres peuvent avoir pour résultat un film autoportant plus mince sur la première passe, tandis que l'inverse se produit à plus basse température. La vitesse du cylindre peut varier. Dans des exemples donnés à titre illustratif, la vitesse du cylindre est fixée d’environ 0,17 mètre par minute (m/min) à environ 1,3 m/min. Une vitesse plus lente des cylindres tend à produire un film autoportant plus mince sur la première passe par comparaison avec une vitesse plus rapide des cylindres. La pression hydraulique utilisée peut être dans une plage d’environ 1 000 psi à environ 7 000. À nouveau, une pression plus élevée peut avoir pour résultat un film autoportant plus mince sur la première passe par comparaison avec les films plus épais obtenus à plus basse pression.
[0237] Des passes supplémentaires à travers le broyeur à cylindres peuvent être utilisées, réduisant l'épaisseur du film jusqu’à ce que l’épaisseur et le chargement souhaités soient atteints. Dans des mises en œuvre spécifiques, l'épaisseur du film est dans une plage d’environ 50 um à environ 300 um, par ex., d'environ 50 à environ 200 um, d'environ 100 um à environ 150 um. Sont également possibles des épaisseurs de film dans une plage de 50 à 100, 50 à 150, 50 à 200, 50 à 250 um ; ou de 100 à 150, 100 à 200, 100 à 250, 100 à 300 um ; ou de 150 à 200, 150 à 250, 150 à 300 um ; ou de 200 à 250, 200 à 300 um ; ou de 250 à 300 um. Des chargements souhaités peuvent être d’environ 10 mg/cm? à environ mg/cm?.
[0238] Des films autoportants préparés dans le procédé sans solvant décrit ici sont censés avoir de bonnes propriétés mécaniques. Une technique d’évaluation mécanique sur laquelle on peut compter est le test de résistance à la traction. BE2024/5167
Par exemple, une anode contenant des CNT ou une combinaison de CNT et de
CB est prévue avoir une résistance à la traction d’au moins 100 kPa, alors que la résistance à la traction d’un film de cathode de NCM est prévue être au moins 500 kPa. Dans un exemple donné à titre illustratif, le film autoportant a une résistance à la traction d'au moins 0,1 MPa et une épaisseur dans la plage de 80 um à 500 um. Dans de nombreux cas, les performances mécaniques du film étaient au moins aussi bonnes que celles d’un film comparatif fabriqué à l’aide d’AC.
[0239] Dans une opération facultative, le film est thermiquement activé, par ex., pour ramollir le liant et préparer le produit d’électrode pour l’appliquer à un substrat.
En laboratoire, cette opération peut être menée à l’aide d’une plaque chaude, à 100 °Celsius (C), par exemple. Les procédés à plus grande échelle comportent les calandres à cylindres à température contrôlée, les séchoirs à convection et/ou à micro-ondes, et ainsi de suite.
[0240] Le film (typiquement autoportant et contenant une matière active d’électrode, des CNT (ou un mélange de CNT et CB) et un liant traité, par ex., ayant formé des fibrilles) peut être appliqué à un substrat ou support conducteur. Les substrats d’anode qui peuvent être utilisés comportent, mais sans caractère limitatif, Ie cuivre, le nickel, le titane, l’acier inoxydable, des matériaux carbonés sous la forme de collecteurs de courant en feuille, treillis, mousse, gravés, ou revêtus. Les substrats de cathode qui peuvent être utilisés comportent, mais sans caractère limitatif, l’aluminium, le titane, des matériaux carbonés sous la forme de collecteurs de courant en feuille, treillis, mousse, gravés, revêtus. Dans un mode de réalisation, le film est stratifié sur une feuille de cuivre revêtue de carbone par calandrage des deux conjointement, en utilisant, par exemple un cylindre chaud horizontal à une température de cylindre, une vitesse de cylindre et une pression hydraulique appropriées. Un autre exemple emploie un collecteur de courant en aluminium revêtu de carbone.
[0241] Une colle (adhésif) électroconductrice peut être utilisée pour appliquer le film au substrat, dans certains cas.
[0242] La température de cylindre peut être dans la plage d'environ 60 à environ BE2024/5167 120 °C. Des températures trop élevées peuvent augmenter la formation de cloques et une mauvaise adhérence, tandis que des températures trop faibles peuvent gêner l’adhérence.
[0243] La vitesse de cylindre peut être d'environ 0,17 m/min à environ 1,3 m/min, par ex., environ 0,5 m/min, tandis que la pression hydraulique peut être réglée sur environ 500 psi à environ 2 000 psi. D’autres réglages peuvent être utilisés. La pression peut être optimisée pour être suffisamment élevée pour favoriser l’adhérence au substrat sans altérer le chargement, la porosité ou d’autres propriétés. Dans certaines mises en œuvre, la stratification est effectuée avant de régler l'épaisseur finale et/ou la porosité de l’électrode à film.
[0244] La formation du film et son application au substrat peuvent également être menées en une seule étape. Par exemple, une composition d’électrode en poudre et une feuille de substrat peuvent être introduites ensemble dans des cylindres de calandrage dans des conditions appropriées pour produire un stratifié dans lequel la composition est pressée sur l'épaisseur de film et mise à adhérer à la feuille. Dans cette approche, on s'affranchit de la nécessité de former un film autoporteur.
[0245] La structure stratifiée peut être façonnée et/ou dimensionnée pour des applications spécifiques telles que des cellules électrochimiques, par exemple, des LIB, par ex, des LIB rechargeables, et ainsi de suite.
[0246] Des électrodes préparées tel que décrit ici peuvent être incorporées dans une batterie lithium-ion selon des procédés connus dans la technique, tels que, par exemple, ceux décrits dans « Lithium lon Batteries Fundamentals and
Applications », par Yuping Wu, CRC press, (2015). Dans des mises en œuvre particulières, les batteries sont du type bouton telles que, par exemple, les piles boutons 2032, les piles cylindriques 18650, les cellules poches, etc.
[0247] Dans un exemple donné à titre illustratif, une LIB comporte une cathode préparée par un procédé par voie sèche. La cathode contient des CNT (ou une combinaison de CNT et CB), par ex., en une quantité n’étant pas supérieure à 5 % en poids, une matière active de cathode (par exemple, NCM) et un liant ayant formé des fibrilles. Tel que décrit ci-dessus, la matière active et le liant ayant formé des fibrilles peuvent être présents dans l’anode en une quantité d'au | BE2024/5167 moins 80 % en poids et pas supérieure à 5 % en poids, respectivement.
[0248] La deuxième électrode (opposée) dans la batterie peut également être préparée à l’aide d’un procédé sans solvant. Dans un mode de réalisation, les deux électrodes de la batterie contiennent des CNT. Une ou les deux peuvent en outre comporter du CB, un CB multifonctionnel, par exemple.
[0249] Il est également possible de préparer la deuxième électrode sèche par un procédé par voie sèche classique (à l’aide d’un AC, par exemple), par une suspension ou par une autre technique non sèche.
[0250] En plus des deux électrodes, la LIB typique comprend un électrolyte approprié. Des exemples comportent, par exemple, le carbonate d’éthylène- carbonate de diméthyle-carbonate d’éthylméthyle (EC-DMC-EMC), le carbonate de vinylène (VC), LiPFs ; le carbonate d’éthylène-carbonate de diéthyle (EC-
DEC, LiPFs ; ou (EC-DMC), LiPF6. En laboratoire, un séparateur qui absorbe l’électrolyte et empêche un contact électrique entre les électrodes, tout en permettant la diffusion des ions Li, peut être un microfiltre à fibres de verre adapté (par exemple, Whatman GF/A). Des séparateurs membranaires réalisés en polypropylène/polyéthylène (par exemple, Celgard 2300) peuvent également être utilisés dans certains cas.
[0251] La composition ou morphologie des électrodes et/ou batteries décrites ici peut être caractérisée par diverses techniques. Des exemples comportent mais ne sont pas limités à la microscopie électronique, par ex., MET, MEB, tomodensitométrie, spectrométrie Raman, et d’autres procédés analytiques qualitatifs ou quantitatifs appropriés. Dans un exemple, des données MEB pour des électrodes en graphite préparées par un procédé par voie sèche utilisant l’additif multifonctionnel décrit ici ont révélé la présence de fibrilles de liant de type ruban, indiquant une formation efficace de fibrilles. La présence de cordes clairement visibles, combinée à une ou plusieurs propriétés telles que module d’élasticité, résistance à la traction, conductivité, etc. mettent en évidence la multifonctionnalité de l’additif.
[0252] Des quantités de solvant ou l'absence de celui-ci peuvent être évaluées par un test du poids. Il s'agit de sécher l’électrode coulée par voie humide jusqu’à ce que le poids de l’électrode atteigne la valeur théoriquement calculée en fonction BE2024/5167 de chargements de matières solides connus de la suspension, soit jusqu’à ce que le poids de l’électrode se stabilise et ne change pas pendant au moins 3 min.
Dans le cas d’une électrode produite entièrement en l'absence de solvant, le poids reste le même sur la période d’évaluation. Ou, autrement dit, le poids de l’électrode qui vient d’être préparée (avant une quelconque opération de séchage) est égal ou inférieur de 1 % en poids au poids théorique (c'est-à-dire, le poids obtenu en ajoutant le poids des ingrédients individuels, typiquement sous forme particulaire libre, fourni dans le procédé.
[0253] Une autre approche qui pourrait être utilisée pour détecter un solvant (par exemple, NMP) repose sur une spectroscopie infrarouge à transformée de
Fourier par réflectance totale atténuée (FTIR-ATR), conjointement avec une chromatographie en phase gazeuse (GC). Dans de nombreux cas, des films d’électrode traités par voie sèche peuvent être différenciés des produits à base de suspension par des niveaux très faibles ou indétectables de résidus de solvant. Une distribution de liant sensiblement uniforme, sans migration de liant vers une surface de film, est encore une autre caractéristique qui caractérise souvent un produit d'électrode préparé par un procédé sans solvant.
[0254] Des propriétés de flexibilité caractérisant l’électrode, (sa capacité à résister à la fissuration) peuvent être mesurées par inspection visuelle lors de la flexion d’un film à la main ou à l’aide d’un testeur de courbure à mandrin. Dans des applications spécifiques, l’électrode est évaluée et prévue réussir un test de barre de mandrin de 10 mm de diamètre sans fissure visible à œil nu. Dans une illustration, l’électrode a réussi un test de flexion en utilisant un stylo de 8 mm de diamètre en guise de tige.
[0255] Les performances d’électrode peuvent être testées par des procédures connues dans la technique, ou des techniques adaptées ou développées. Les techniques appropriées comportent, par exemple, la conductivité d'électrode dans le plan et à travers le plan, une spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), une capacité de taux de charge-décharge à courant constant, une capacité de puissance d’impulsion hybride (HPPC), un test de durée de vie en cyclage.
[0256] Dans de nombreux cas, des électrodes préparées par le procédé sans BE2024/5167 solvant décrit ici sont au moins aussi performantes et souvent meilleures (telles que mesurées par la résistivité dans le plan, la capacité initiale, ou la première efficacité de cycle, par exemple) par rapport à une électrode comparative (également dénommée ici « électrode de référence ») contenant les mêmes quantités de matière active d’électrode (par exemple, NCM), de liant, et d’un agent classique de formation de fibrilles tel que l'AC. Ou, les quantités de CNT (ou une combinaison de CNT et CB) nécessaires pour atteindre les performances obtenues avec [AC seront typiquement inférieures pour des électrodes fabriquées selon des modes de réalisation décrits ici.
[0257] Dans une illustration, une cathode de procédé par voie sèche préparée à l’aide de CNT à des chargements n’étant pas supérieurs à environ 1 % en poids, présente des performances au moins aussi bonnes (mesurées par la résistivité dans le plan, la capacité de taux, l’efficacité de 1°" cycle) qu'une électrode comparative (de référence) contenant des quantités plus élevées (par exemple, 5 % en poids) d’AC.
[0258] Des électrodes préparées en utilisant Ie procédé sans solvant décrit ici sont également censées avoir de bonnes propriétés mécaniques. Des techniques d'évaluation mécanique qui peuvent être utilisées comportent un test de pelage (par ex., 90°, 180°, pelage en T, divers accessoires), un test de traction, un test de flexion (expériences au mandrin), pour n’en citer que quelques-uns. Dans de nombreux cas, l’électrode préparée avec des CNT (ou avec un mélange de CNT et CB) a présenté des performances au moins aussi bonnes qu’une électrode comparative fabriquée à l’aide de VAC.
[0259] Sans vouloir être lié par une interprétation spécifique, on pense que l’utilisation de CNT, facultativement conjointement avec un CB, peut produire des brins ou fibrilles de liant de type ruban qui peuvent être suffisamment longs pour s'enrouler autour des particules de la matière électroactive et les maintenir ensemble.
[0260] Ainsi, même à des niveaux relativement faibles, les CNT (ou une combinaison de CNT et CB) sont apparus capables de traiter le liant, par ex., d'en former des fibrilles, générant des réseaux conducteurs efficaces dans des électrodes, tout BE2024/5167 en contribuant à des propriétés mécaniques souhaitables.
[0261] Des compositions d’électrode et des procédés décrits ici peuvent également être utilisés (par ex, incorporés) et/ou adaptés à la fabrication d’autres dispositifs de stockage d'énergie, tels que des batteries primaires alcalines, des batteries primaires au lithium, des batteries nickel-hydrure métallique, des batteries au sodium, des batteries lithium-soufre, des batteries lithium-air, et des supercondensateurs. Des procédés de fabrication de tels dispositifs sont connus dans la technique et sont décrits, par exemple, dans « Battery Reference Book », par TR Crompton, Newness (2000).
[0262] L'invention est en outre illustrée par les exemples non limitatifs suivants.
[0263] EXEMPLIFICATION
[0264] Matières et procédés
[0265] Les matières utilisées pour le procédé d’électrode sans solvant et la formulation comportaient le lithium nickel cobalt oxyde de manganèse NCM622 (SNCMO3006) de Targray ; le charbon actif standard de surface spécifique de 1 500 cm?/g, utilisé en guise de référence. Le liant pouvant former des fibrilles était le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Toutes les spécifications des CNT et des
CB ont été obtenues auprès de Cabot Corporation. Les propriétés physiques des
CNT et des CB utilisés dans les exemples suivants se trouvent dans les
Tableaux 1 et 2 ci-dessus, respectivement.
[0266] Les compositions de cathode comportent une matière active d’électrode telle que l’oxyde de métal de transition au lithium (par exemple, NCM622), un carbone conducteur (par exemple, CNT, NB, etc.), et un liant pouvant former des fibrilles (par exemple, PTFE).
[0267] Généralement, les électrodes cathodiques ont été préparées en plusieurs étapes. Dans une première étape (S1) les composants d’électrode ont été combinés et mélangés dans des conditions appropriées pour former des fibrilles du liant (par exemple, par mélange à cisaillement élevé). La deuxième étape (S2) a fait intervenir le passage du mélange de poudre venant de S1 à travers une calandre verticale préréglée sur l’espace approprié en fonction de l’épaisseur de film souhaitée. Les films autoportants obtenus à partir de S2 ont été stratifiés sur BE2024/5167 un collecteur de courant dans une troisième étape (S3).
[0268] Une séquence d'étapes similaire a été suivie de la préparation d’électrodes anodiques.
[0269] L'épaisseur des électrodes sans solvant a été mesurée à l’aide d’un manomètre manuel dont la tête de contact de jaugeage plat a un diamètre de 7,14 mm. Un emporte-pièce manuel a été utilisé pour perforer des disques d’un diamètre de 15 mm pour la cathode et de 16 mm pour l’anode.
[0270] Les propriétés mécaniques des films secs autoportants, par exemple, la résistance à la traction et le module de Young (d’élasticité), ont été testées en utilisant le testeur de force motorisé Mecmesin MultiTest-dV avec une charge de 10 N. Après que les films ont été calandrés à l’épaisseur souhaitée, ils ont été découpés en bandes de 70 x 20 mm à l’aide d’un emporte-pièce. Puis, ils ont été placés dans l’appareil et le programme de test pour le test de traction a été réalisé.
[0271] La résistance de feuille des électrodes sans solvant a été mesurée avec un système commercial Signatone Pro4-4400 (tête de sonde SP4 reliée à l’arrière d’un sourcemètre Keithley 2410-C). Les valeurs rapportées ont été normalisées par l'épaisseur d’électrode et rapportées en guise de résistivité d’électrode en
Ohm:cm (Q-cm).
[0272] Exemple 1
[0273] En S1, des composants d’électrode ont été mélangés suivant une opération à deux étapes en utilisant un mélangeur acoustique Resodyn et un broyeur |KA.
De manière plus détaillée, la première étape de S1 a été effectuée pour préparer une distribution uniforme de composants pulvérulents dans le mélange et incluse dans un prémélange de 10 minutes d’un additif de carbone et de matière active d’électrode dans le mélangeur acoustique à 90 % d’intensité et de fréquence auto, suivie de l’addition du polymère et d’un mélange aux mêmes réglages pendant 20 minutes supplémentaires.
[0274] La seconde étape faisant intervenir la formation de fibrilles du mélange a été en outre traitée en utilisant le broyeur IKA Tube Mill 100 pendant 15 s à 25 000 tr/min pendant 6 cycles et 3 min à 5 000 tr/min pendant 1 cycle.
[0275] En S2, le mélange de poudre obtenu en S1 a été passé par une calandre BE2024/5167 verticale à 100 °C pour obtenir des films autoportants ayant une épaisseur entre 30 et 130 um.
[0276] Dans S3, ces films d’électrodes autoportants ont ensuite été stratifiés sur la feuille d’AI de 17 um d’épaisseur, revêtue de carbone, par calandrage de ceux-ci au travers d’une calandre verticale à 100 °C pour obtenir l’électrode.
[0277] Les additifs de carbone indiqués dans les Tableaux 1 et 2 ont été utilisés pour préparer des films de cathode selon les formulations indiquées dans le
Tableau 3. Toutes les électrodes ont été préparées par un procédé par voie sèche et contenaient l’additif de carbone à un chargement de 2 % en poids,
NCM622 (94 % en poids) et PTFE (4 % en poids) à une épaisseur moyenne dans la plage de 107 à 110 um.
[0278] [Tableau 3] formulation moy. de film sec (um)
[0279] Les compositions A1 à A6 du Tableau 3 ont été testées par rapport aux propriétés mécaniques des films d’électrodes traités par voie sèche autoportants.
De manière plus détaillée, la FIG. 1A compare la résistance à la traction et le module d’élasticité des films d’électrode secs formulés à l’aide de divers CNT, à savoir les additifs CNT1, CNT2, CNT3, et CNT4 (du Tableau 1), à une épaisseur moyenne de film de 107 à 109 um. Les films préparés avec CB1 (du Tableau 2) et AC sont utilisés en guise de références. Les capacités de formation de fibrilles de CNT1, CNT2 et CNT3 étaient comparables à CB1 et bien meilleures que AC de référence. Le CNT4 n’a pas semblé bien former des fibrilles du PTFE. Les films d’électrodes réalisés avec CNT4 étaient cassants et rigides et ne pouvaient pas être utilisés pour le test de résistance à la traction. Le CNT1 a fourni l’effet bénéfique ajouté d’une résistivité d’électrode inférieure lorsqu'il a été testé au BE2024/5167 même chargement.
[0280] La FIG. 1B compare la résistivité dans le plan mesurée pour des cathodes sèches avec les Formulations A1 à A5 (du Tableau 3). L’électrode formulée avec
CNT1, CNT2 et CNT3 (du Tableau 1) a montré une résistivité dans le plan améliorée par rapport à celles préparées avec CNT4 et un CB1 de référence. Par ailleurs, par comparaison avec d’autres CNT, CNT1 a présenté la résistivité d’électrode la plus basse, une propriété avantageuse pour les performances de la batterie, par exemple, la capacité de taux, le cyclage à long terme, etc.
[0281] Exemple 2
[0282] Les formulations d’électrodes NCM B1 et B2 (Tableau 4) dans cet exemple ont été préparées par la procédure décrite dans l'exemple 1. Les additifs carbonés utilisés étaient CNT5 et CNT1 (du Tableau 1). CNT5 était une version préalablement broyée (pulvérisée) de CNT1. La pulvérisation était réalisée à l’aide d’une machine mécanique de broyage (modèle : FW177, de Tianjing Tai Si
Te Instrument Co., Ltd.) à une fréquence de 50 Hz, puissance de 1 200 W, et vitesse de 24 000 tr/Min, pendant 80 secondes de broyage. La distribution granulométrique était mesurée par granulomètre laser (modèle : Topsizer, Zhuhai
OMEC Instruments Co., Ltd.). La distribution granulométrique pour un CNT pur, à savoir CNT1, et sa version pulvérisée, à savoir CNT5, utilisés dans cet exemple, est résumée dans le Tableau 1.
[0283] Les formulations d’'électrodes utilisées (marquées B1 et B2) figurent dans le
Tableau 4, ci-dessous. Toutes les films d’électrode sèche ont été préparés par un procédé par voie sèche et contenaient l’additif de carbone à un chargement de 2 % en poids, NCM622 (94 % en poids) et PTFE (4 % en poids) à une épaisseur dans la plage de 112 + 1,5 um.
[0284] [Tableau 4] de film sec (um
[0285] La résistance à la traction et le module d’élasticité des films de cathode sèche BE2024/5167 et la résistivité d’électrode mesurée avec la formulation B1 avec du CNT5 pulvérisé (Dso -15 um) et avec la formulation B2 avec du CNT1 non pulvérisé (Dso -140 um) sont présentés, respectivement, sur les FIG. 2A et 2B.
[0286] Comme on le voit sur la FIG. 2A, la résistance à la traction de l’électrode à film préparée avec la Formulation B1, avec du CNT5 pulvérisé (Dso -15 um), a montré une amélioration (de +30 %) par rapport à la résistance à la traction du film d’électrode préparé avec la formulation B2, avec le CNT1 non pulvérisé (Dso -140 um). Le module d’élasticité de films réalisés avec Ie CNT5 pulvérisé était inférieur à celui du film CNT1. Les résultats indiquent que la granulométrie plus petite peut être importante pour rendre le film plus résistant et plus souple.
[0287] Comme on le voit sur la FIG. 2B, l’électrode avec le CNT5 pulvérisé a également conduit à une conductivité améliorée de l'électrode, ce qui pourrait être un autre indicateur d’un effet bénéfique de la granulométrie choisie des CNT (censée conduire à une meilleure distribution des particules de CNT dans toute l’électrode en plus de l’amélioration d'interactions avec le liant et de propriétés de formation de fibrilles). Une amélioration de la résistivité de l’électrode (en d’autres termes, la conductivité de l’électrode) serait avantageuse pour les performances de la batterie.
[0288] Des photographies MEB (image en électrons secondaires et rétrodiffusion) et une cartographie élémentaire du fluor de sections transversales de films d’électrodes avec les Formulations B1 et B2 sont présentées sur la FIG. 3. Les images de gauche des FIG. 3A et 3B sont des images électroniques en rétrodiffusion (A-I et B-l), et les images de droite sont des images en électrons secondaires (A-II et B-Il). Par rapport aux CNT non pulvérisés, à savoir le CNT1 (du Tableau 1), la dispersité des CNT pulvérisés, à savoir CNT5 (du Tableau 1) était plus élevée. Également, aucune agrégation significative n’a été observée pour des films préparés avec le CNT5 pulvérisé. Cela contraste avec l’agrégation observée dans le cercle rouge dans l’image du CNT1 non pulvérisé.
[0289] L'analyse MEB a également fourni des indications utiles sur le niveau de formation de fibrilles du liant et sur la manière dont il était affecté par la PSD de
CNT. Comme on le voit sur les FIG. 3C et 3D, des fibrilles semblent s'enrouler autour de matières actives d’électrode et/ou de carbone. De manière importante, BE2024/5167 la quantité de fibrilles de PTFE visibles sur la FIG. 3D avec le CNT5 pulvérisé était remarquablement supérieure à celle observée avec le CNT1 non pulvérisé (avec une échelle graphique de taille similaire). Ceci peut indiquer une formation de fibrilles de liant améliorée et semble bien s’aligner sur les données de résistance à la traction.
[0290] La FIG. 4 représente une cartographie élémentaire EDS (échelle graphique : 100 um) du fluor, F, (image B) et du carbone, C, (images C) du film de cathode sèche B1 réalisé avec le CNT5 pulvérisé. Les données ont confirmé la distribution uniforme de l’additif carboné et du polymère sur toute l’électrode.
Aucun phénomène de migration du liant n’a été détecté (comme c'est très souvent le cas pour les électrodes préparées avec une suspension).
[0291] Exemple 3
[0292] Les électrodes NCM dans cet exemple ont été préparées par le même procédé que dans l’exemple 1. Le chargement de l’additif carboné était de 1 % en poids, la quantité de NCM était de 96 % en poids et le chargement de PTFE était de 3 % en poids. L’épaisseur moyenne du film sec était de 110 +2 um. Les formulations utilisées pour préparer les films d’électrode sont indiquées dans le
Tableau 5.
[0293] [Tableau 5] film sec (um)
[0294] La FIG. 5A compare la résistance à la traction et le module d’élasticité pour 2 ensembles de films d’électrode sèche, à savoir B1 et B2 (du Tableau 4) et C1 et C2 (du Tableau 5), préparés avec des CNT pulvérisés et non pulvérisés, à savoir CNT5 et CNT1 (du Tableau 1), aux deux formulations NCM/CNT/PTFE différentes, à savoir 94/2/4 et 96/1/3, respectivement. La comparaison de résistivité dans le plan pour les formulations choisies est présentée sur la
FIG. 5B. Par rapport aux films 94/2/4, la résistance à la traction et le module d’élasticité ont tous deux diminué avec des films préparés avec les formulations
96/1/3 du Tableau 5 (qui contenaient moins de CNT, moins de liant et des BE2024/5167 quantités accrues de la matière active). La résistivité dans le plan était plus élevée pour les chargements de CNT inférieurs.
[0295] Des CNT pulvérisés aux deux chargements de CNT ont montré une augmentation de la résistance à la traction par rapport aux CNT non pulvérisés.
Une chute du module d’élasticité a été observée lors de l’utilisation de CNT pulvérisés (par rapport aux non pulvérisés) pour à la fois les formulations 96/1/3 et 94/2/4 impliquant une flexibilité améliorée des films autoportants. Par comparaison avec des CNT non pulvérisés, les CNT pulvérisés ont réduit la résistivité dans le plan de l’électrode préparée avec à la fois les formulations 96/1/3 et 94/2/4, bénéficiant ainsi des performances électrochimiques de la batterie.
[0296] Exemple 4
[0297] Les électrodes NCM dans cet exemple ont été préparées en suivant la procédure décrite dans l'exemple 1. Les CNT5, CNT6, CNT7 et CNT9 utilisés dans cet exemple étaient une version préalablement broyée de CNT1, CNT2,
CNT3, et CNT4 (du Tableau 1), traités par le même procédé de broyage que celui décrit dans l'exemple 2 pour atteindre une D50 de 15 um.
[0298] Quatre sortes de CNT purs ont été broyées pour obtenir la même Dso. Les formulations d’électrodes utilisées (marquées D1 à D4) figurent dans le
Tableau 6, ci-dessous. Toutes les électrodes contenaient des CNT à un chargement de 1 % en poids, NCM à un chargement de 96 % en poids, et PTFE à un chargement de 3 % en poids, l'épaisseur moyenne du film sec étant à 75 +2 um. Le film d’électrode sèche D4 était trop cassant et n’a pas permis de fabriquer un film autoportant, ce qui a indiqué que les CNT5, 6, 7 avec une surface spécifique supérieure et un diamètre moyen plus petit présentent une meilleure capacité à aider à titre d’auxiliaire de traitement que le CNT9 avec une surface spécifique inférieure (< 150 m°/g) et un diamètre plus grand (2 30 nm).
[0299] [Tableau 6] de film sec (um)
96 % NCM 1% CNT7 | 3% PTFE BE2024/5167 96 % NCM 1% CNT9 | 3% PTFE
[0300] La FIG. 6 compare la résistivité dans le plan et à travers le plan des électrodes sèches pour la formulation D1, D2, D3. Comme on le voit sur cette figure, la formulation D1, réalisée avec CNT5, a présenté la résistivité la plus faible.
[0301] Exemple 5
[0302] Les films autoportants de cathode traités par voie sèche et les électrodes de test ont été préparés par le même procédé que dans l'exemple 1.
[0303] Les formulations d’électrodes utilisées (marquées E1 à E7) figurent dans le
Tableau 7 ci-dessous. Tous les films d’électrode ont été préparés avec un additif carboné (CB uniquement, CNT uniquement, ou des combinaisons de CB et CNT, mélangés à différents rapports CB/CNT) à un chargement total de carbone de 2 % en poids. Le chargement de NCM était de 94 % en poids et le chargement de PTFE était de 4 % en poids.
[0304] [Tableau 7]
Épaisseur
ID de Matière Additif Rapport Liant moy. de film formulation active carboné CB/CNT sec (um 94 % NCM | 2% CNT8 0:100 4 % PTFE
E2 94 % NCM 2% 40:60 4 % PTFE 110
CB1/CNT8
E3 94 % NCM 2% 80:20 4 % PTFE 110
CB1/CNT8 94 % NCM | 2% CB1 100:0 4 % PTFE
E5 94 % NCM 2% 40:60 4 % PTFE 114
CB2/CNT8
E6 94 % NCM 2% 80:20 4 % PTFE 110
CB2/CNT8 94% NCM | 2% CB2 100:0 4 % PTFE
[0305] La FIG. 7A compare la résistance à la traction du film sec d’électrode avec la formulation E1 (un film d’électrode NCM contenant CNT8 uniquement) avec des films d’électrode sèche avec une formulation E2 et E3 (formulée avec CB/CNT mélangé à deux rapports différents), et des films d’électrode sèche avec la formulation E4 (contenant CB1 uniquement). Comme on le voit sur la FIG. 7A, un film d’électrode sèche préparé avec des mélanges CB/CNT pour E3 a montré BE2024/5167 une résistance à la traction améliorée par comparaison avec les formulations E1 et E4 contenant des CNT et CB en guise d’additif de carbone unique, respectivement. Cela pourrait être attribué à un effet synergique. Un effet synergique a également été observé pour CB2/CNT8, comme on le voit sur la
FIG. 7B, mais est apparu à un rapport CB/CNT différent (se référer à ES du
Tableau 7), qui pourrait être affecté par une différence de surface spécifique entre CB1 et CB2.
[0306] Comme illustré sur la FIG. 8, des électrodes préparées à l’aide de mélanges
CB1/CNT8 ont également affiché une résistivité d’électrode inférieure par rapport à l’électrode contenant du CB pur, un effet avantageux pour les performances de la batterie.
[0307] Exemple 6
[0308] Des formulations de cathode choisies et des électrodes de test ont été préparées en suivant le procédé décrit dans l’exemple 1.
[0309] Deux ensembles de films d’électrodes ont été préparés avec un CB uniquement, à savoir CB3, et des combinaisons de CB et de CNT, à savoir CB3 et CNT5 (du Tableau 2 et du Tableau 1, respectivement) mélangés à un rapport 80:20, ciblant l'épaisseur de film sec de 110 um lors du calandrage.
[0310] Le Tableau 8 montre des quantités d’additif carboné (1 et 2 % en poids) et des quantités de PTFE (1, 2, et 3 % en poids) utilisées pour fabriquer des films d’électrode autoportants, qui ont été évaluées pour la processabilité du film ;
NCM représentant le complément à 100 % en poids. Dans le Tableau 8, « réussite » indique qu’un film continu et flexible pourrait être formé ; « échec » indique qu’aucun film continu et flexible n’a pu être formé.
[0311] [Tableau 8] 4 % PTFE 3% PTFE 2 % PTFE 2 % CB3/CNT5 (80:20 1 % CB3/CNTS (80:20 2 % CB3 1 % CB3
[0312] À 2 % en poids d’additif de carbone total, les deux formulations contenant un BE2024/5167 mélange CB/CNT et un CB uniquement, en combinaison avec du PTFE chargé à 4 % en poids, ont donné des films autoportants de bonne qualité. En passant à une teneur plus faible en matières électrochimiquement inactives, par exemple, 3 % en poids de PTFE, la présence du mélange CB3/CNT5 a conduit à la formation de films de cathode forts et flexibles, tandis qu’un film avec le CB3 seul n’a pas entraîné la formation d’un film continu et flexible aux conditions données (marqué comme « échec » dans le Tableau 9).
[0313] À 1 % en poids de chargement d’additif carboné, les films pourraient être réalisés avec à la fois le CB3 seul et un mélange CB3/CNT5. Toutefois, le mélange a rendu le film plus flexible comme indiqué par les données du module d’élasticité sur la FIG. 9. (Les formulations d’électrodes choisies qui ont permis la formation d’un film de bonne qualité (marquées F1 à F4) figurent dans le
Tableau 9, ci-dessous.)
[0314] [Tableau 9] formulation active carboné CB/CNT moy. de film sec (um
CB3/CNT5
CB3/CNT5
[0315] La FIG. 9 compare le module d’élasticité de films d’électrode sèche NCM contenant du CB3 uniquement avec ceux contenant des mélanges CB3/CNT5.
Comme on le voit sur la FIG. 9, des films d’électrodes préparés par un procédé par voie sèche qui a utilisé des mélanges CB/CNT (se référer à F2 et F4 dans le
Tableau 9) ont montré une amélioration de l’élasticité du film par comparaison avec les formulations homologues à base de CB uniquement (se référer à F1 et
F3 dans le Tableau 9) lors d’une comparaison aux mêmes chargements de
NCM-carbone-PTFE.
[0316] Exemple 7
[0317] Des formulations de cathode et des électrodes de test ont été préparées BE2024/5167 selon le procédé de l'exemple 1.
[0318] Les formulations d’électrodes utilisées (marquées G1 à G6, et A6 servant de référence contenant un AC) figurent dans le Tableau 10, ci-dessous. Toutes les électrodes ont été préparées avec un additif carboné qui était du CB uniquement, du CNT uniquement, ou des combinaisons de CB et CNT (CB/CNT) mélangés à des rapports différents, à un chargement de 2 % en poids, NCM à 94 % en poids et PTFE à 4 % en poids. L'épaisseur moyenne du film sec était à 110 + 1,5 um.
[0319] [Tableau 10]
ID de Matière Additif Rapport Liant Épaisseur formulation active carboné CB/CNT moy. de film sec (um 94 % NCM | 2% CB4 100:0 4 % PTFE
G2 94 % NCM 2% 80:20 4 % PTFE N/A
CB4/CNT8
G3 94 % NCM 2% 70:30 4 % PTFE N/A
CB4/CNT8
G4 94 % NCM 2% 40:60 4 % PTFE 108
CB4/CNT8 94 % NCM | 2 % CNT8 0:100 4 % PTFE
G6 94 % NCM 2 % de 40:60 4 % PTFE 111
CB4/CNT5 94% NCM | 2% AC 4 % PTFE
[0320] On a trouvé qu’aucun film d’électrode NCM traité par voie sèche continu et flexible n’a pu être fabriqué avec des CB ayant une surface spécifique (SA) faible, par exemple, CB4, lorsqu'il est utilisé en guise d’additif conducteur unique ou mélangé avec des CNT, à savoir CNT8, à un rapport CB/CNT supérieur à 50:50 (se référer aux formulations G1, G2 et G3 dans le Tableau 10). Le mélange de CB4 et CNT8 à des rapports qui sont inférieurs à 50:50, par exemple 40:60 (se référer à la formulation G4), cependant, a amélioré la processabilité et a permis la formation d’un film autoportant continu et flexible, comme montré sur la FIG. 10A. (Les croix indiquent que la formation du film n’est pas bonne.)
[0321] l'utilisation de CNT5 dans le mélange, plutôt que CNT8, a pu encore améliorer la processabilité en amplifiant la résistance à la traction du film d’électrode, comme en témoigne la comparaison des formulations choisies G4 et
G6 contenant CB4/CNT8 à faible SA et CB4/CNT5 au même rapport 40:60 et BE2024/5167 2 % en poids de chargement total de carbone (FIG. 10B).
[0322] Exemple 8
[0323] Les formulations d’électrode en graphite H1 à H4 (Tableau 11) dans cet exemple ont été préparées par la procédure décrite dans l'exemple 1. Les additifs carbonés utilisés étaient CNT1, CNT3 et CNT4 (du Tableau 1) et un AC utilisé en référence. Tous les films d’électrode sèche contenant des CNT ont été préparés par un procédé par voie sèche et contenaient l’additif carboné à un chargement de 1 % en poids, NCM622 (94 % en poids) et PTFE (5 % en poids).
[0324] [Tableau 11]
ID de formulation Additif carboné 94 % de graphite 1% CNT1 5 % PTFE 94 % de graphite 1% CNT3 5 % PTFE 94 % de graphite 1% CNT4 5 % PTFE 90 % de Graphite 5 % AC 5 % PTFE
[0325] Comme on le voit sur la FIG. 11, les formulations avec CNT1, CNT3 et CNT4 ont montré une amélioration (80 % au moins) par rapport à la résistance à la traction du film d’anode de référence préparé avec l'AC au même chargement de liant de 5 % en poids.
[0326] Exemple 9
[0327] Une série de cathodes sèches (marquées |1 à |5) a été préparée par les mêmes procédés que dans l’exemple 1. Les formulations d’électrodes utilisées, et les caractéristiques des cathodes ainsi obtenues figurent dans le Tableau 12 ci-dessous. Toutes les cathodes sèches contenaient NCM622 (96 % en poids), un liant (3 % en poids) et 1 % en poids de CNT d’un type choisi (se référer au
Tableau 1 pour plus de détails).
[0328] [Tableau 12]
ID Formulation Chargement Densité Capacité d’électrode de matière d’électrod | d’électrod active e [g/cm°] e mg/cm? mAh/cm? 11 96 % NCM, 1 % CNT5, 24,8 3,8 42 3 % PTFE
3 % PTFE 3 % PTFE 3 % PTFE 3 % PTFE
[0329] Les cathodes du Tableau 12 ont été testées dans des piles boutons complètes 2032. Des disques d’un diamètre de quinze millimètres ont été perforés pour la préparation de piles boutons et séchés à 100 °C sous vide pendant un minimum de 4 heures. Les disques ont été calandrés à la densité d’électrode souhaitée avec une presse à cylindres manuelle et assemblés en piles boutons 2032 dans une boîte à gants remplie d’argon (M-Braun) pour un test par rapport à des anodes en graphite traitées en suspension qui contenaient 3 % de CB, 5 % de PVDF, 92 % de graphite naturel, à un accès anodique de 1,2, mesuré en guise de rapport de capacité d’électrodes négative à positive (N/P).
Des films Celgard 2325 ont été utilisés en guise de séparateurs.
L'hexafluorophosphate de lithium 1M (LiPFe) dans du carbonate d’éthylène- carbonate de diméthyle-carbonate d’éthylméthyle (EC-DMC-EMC, 1:1:1 en poids) avec 1 % en poids de carbonate de vinylène (VC) de BASF a été utilisé en guise d’électrolyte. Les performances de taux à température ambiante (25 °C) des piles boutons complètes ont été mesurées en les formant d’abord par quatre cycles de charge-décharge C/20-D/20, puis en les chargeant et les déchargeant à chaque taux pendant quatre cycles à C/10, C/5, C/3, C/2, 1C, et 2C, respectivement. Les capacités rapportées sont normalisées en mAh/g de masse de cathode active. Un test des performances en cyclage a été réalisé à 25 °C en utilisant un taux de charge C/3 et de décharge C/3.
[0330] La FIG. 12 montre des données de performances du taux C des cathodes 11 et 12 préparées avec des CNT de même type et même plage de diamètre mais de taille moyenne d’agglomérat différente. La cathode traitée par voie sèche 12 fabriquée avec le CNT1 standard de Dso = 135 um avait une capacité comparable à des taux C jusqu’à C/3 (C/20, C/10, C/5, C/3), mais une capacité de décharge pire à un taux C supérieur (C/2 et au-dessus), par comparaison avec la cathode sèche 11 fabriquée avec le CNT5 de Dso = 15 um, qui indique qu’un effet bénéfique de performances de capacité de taux de ce dernier est dû à une taille BE2024/5167 d’agglomérat plus petite et à une meilleure distribution des CNT dans l’électrode.
[0331] Les tests des performances en cyclage des deux mêmes cathodes (11 et I2) sont montrés sur la FIG. 13. Ils ont montré une capacité de décharge spécifique très similaire, retenant plus de 95 % de la capacité initiale sur 300 cycles. Cela indique que le CNT5 de taille plus petite apporte le même effet bénéfique de performances en cyclage stables que le CNT1 de qualité standard.
[0332] Exemple 10
[0333] La FIG. 14 montre la capacité de taux C des cellules préparées avec les cathodes 11, 13 et 14 du Tableau 12, comparant les performances de CNT d’un type différent et d’une plage de diamètre différente mais d’une même taille moyenne d’agglomérat (CNT5, CNT6 et CNT7, respectivement ; Dso = 15 um).
Voir Tableau 1. La formulation 11 avec CNT5 a toujours été plus performante que les autres CNT, montrant une capacité de taux supérieure. Les cathodes avec
CNT5 et CNT6 ont également fourni une capacité plus élevée que celle avec
CNT7 aux taux C allant jusqu’à C/2, suggérant que les CNT de surface spécifique supérieure (> 230 m2/g) et de diamètre moyen plus petit (< 12 nm) ont été plus performants que ceux de surface spécifique relativement inférieure et de diamètre plus grand.
[0334] En outre, comme on le voit sur la FIG. 15, lors du cyclage à long terme réalisé à 25 °C en utilisant la charge C/3 et le taux de décharge C/3, CNT5 (formulation 11) a été plus performant que CNT6 et CNT7 (formulations 13 et 14 respectivement) montrant une capacité de décharge significativement plus élevée, probablement due à la combinaison de propriétés mécaniques robustes du film de cathode sèche et du réseau électronique amélioré fourni par des CNT5 bien distribués et interconnectés.
[0335] Exemple 11
[0336] L'utilisation de CNT de Dso relativement faible a permis la fabrication de cathodes plus minces avec un chargement inférieur de matière active. L'exemple d’une cathode mince figure dans le Tableau 12 sous l'ID d’électrode 15, contenant 1 % en poids de CNT5, mesuré à l'épaisseur d’une électrode revêtue à côté unique de 55 um et un chargement de matière active de 15,4 mg/cm?.
[0337] La figure 16 compare la capacité de décharge 2C des deux électrodes (ID BE2024/5167 n° 11 et ID n° 15), toutes deux fabriquées avec 1 % en poids de CNT5, mais laminées à des épaisseurs différentes et, par conséquent, mesurées avec un chargement de matière active et une densité d’électrodes différents, comme indiqué dans le Tableau 12. Comme on le voit sur la FIG. 16, la cathode sèche revêtue à côté unique de 55 um d’épaisseur I5 avec un chargement de masse active plus faible et une densité plus élevée a montré une meilleure capacité de décharge 2C, doublant la valeur par comparaison avec une électrode sèche 11 plus épaisse et moins dense.
[0338] Exemple 12
[0339] Trois cathodes ont été préparées par les mêmes procédés par voie sèche et testées dans des piles boutons complètes 2032 en suivant le même assemblage de cellules et des protocoles de test comme pour les cathodes sèches 11 à 15 dans l'exemple 9. Les formulations d’électrodes utilisées, et Ies caractéristiques des cathodes ainsi obtenues figurent dans le Tableau 13 ci-dessous. Toutes les cathodes contenaient NCM622 (96 % en poids) et un liant (3 % en poids), un additif carboné à un chargement de 1 % en poids, avec du CB3 seul ou des mélanges CB3/CNT5 avec deux rapports CB/CNT différents. Une cathode contenant 1 % en poids de CNT5 (se référer à l’électrode 11 dans le Tableau 12) a été utilisée pour comparaison.
[0340] [Tableau 13]
Chargement | Densité Capacité
ID Formulation de matière |d’électrode| d’électrode d’électrode active [g/em*] | [mAh/cm?2] mg/cm?
J1 96 % NCM, 0,4 % CB3/0,6 % 25,5 3,8 4,3
CNT5, 3 % PTFE
J2 96 % NCM, 0,8 % CB3/0,2 % 26,0 3,7 4,4
CNT5, 3 % PTFE
J3 96 % NCM, 1 % CB3, 3 % 26,4 3,7 4,5
PTFE
[0341] Deux groupes de cellules pour lesquels la formulation de cathode contenant des mélanges CB/CNT (électrodes J1 et J2) ont montré une capacité de décharge améliorée par comparaison avec la cathode fabriquée avec du CB seul | BE2024/5167 (électrode J3), comme représenté sur la FIG. 17.
[0342] De plus, les tests de durée de vie ont confirmé de bonnes performances en cyclage de la cathode avec un mélange CB/CNT (formulation J2, Tableau 13), maintenant une rétention de capacité de 98 % sur 150 cycles, proches de celle avec des CNT seuls (électrode 11, Tableau 12), indiquant une stabilité structurale et électrochimique comparable des deux cathodes sèches (FIG. 18).
[0343] Bien que cette invention ait été particulièrement montrée et décrite en référence à des modes de réalisation préférés de celle-ci, l'homme du métier comprendra que divers changements de forme et de détail peuvent y être apportés sans s'écarter de la portée de l'invention englobée par les revendications annexes.

Claims (95)

  1. Revendications Les revendications sont les suivantes : 1 Procédé de préparation d’une composition d’électrode, le procédé comprenant : la combinaison d’une matière active d’électrode, d’un liant et de nanotubes de carbone ; et le traitement du liant en présence des nanotubes de carbone, dans lequel, le procédé est mené en l'absence de solvant et les nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d’environ 80 à environ 500 m°/g et un diamètre dans une plage d’environ 2 à environ 50 nanomètres.
  2. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multifonctionnels multi-parois.
  3. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel les nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d’environ 200 à environ 500 m?°/g.
  4. 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel les nanotubes de carbone ont une granulométrie moyenne (Dso) dans une plage d'environ 5 à environ 500 micromètres telle que mesurée par analyse par diffraction laser.
  5. 5 Procédé selon la revendication 1, dans lequel les nanotubes de carbone sont préalablement broyés en guise de poudre sèche.
  6. 6 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la matière active d’électrode, le liant, les nanotubes de carbone et la composition d’électrode sont des matériaux particulaires libres.
  7. 7 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium.
  8. 8 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la matière active d’électrode est du graphite, un composé contenant du silicium, ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  9. 9 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les BE2024/5167 nanotubes de carbone sont fournis en une quantité qui n’est pas supérieure à environ 5 % en poids en fonction du poids total de la composition d’électrode.
  10. 10 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le procédé est mené en présence des nanotubes de carbone en guise de seul agent de formation de fibrilles.
  11. 11 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les nanotubes de carbone sont fournis en combinaison avec un autre agent de formation de fibrilles.
  12. 12 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les nanotubes de carbone sont fournis en combinaison avec un noir de carbone.
  13. 13 Procédé selon la revendication 12, dans lequel le noir de carbone a une BET qui n’est pas supérieure à environ 1 600 m°/g et un OAN qui n’est pas supérieur à environ 650 ml/100 g.
  14. 14 Procédé selon la revendication 12, dans lequel Ia matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium et le noir de carbone a une BET dans une plage d'environ 80 à environ 1 600 m°/g et un OAN dans une plage d'environ 120 à environ 650 mI/100 g.
  15. 15 Procédé selon la revendication 12, dans lequel Ia matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 500 à environ 1 600 m°/g et un OAN dans une plage d'environ 180 à environ 650 mI/100 g.
  16. 16 Procédé selon la revendication 12, dans lequel la matière active d’électrode est le graphite et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 35 à environ 1600 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 120 à environ 650 ml/100 g.
  17. 17 Procédé selon la revendication 12, dans lequel Ia matière active d’électrode est le graphite et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 50 à environ 200 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 130 à environ
    240 ml/100 g.
  18. 18 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, dans lequel le BE2024/5167 noir de carbone a une ou plusieurs des propriétés suivantes : une énergie de surface inférieure ou égale à environ 15 mJ/m2, une taille planaire microcristalline Raman (La) d’au moins environ 17 À, un volume mésoporeux d’au moins environ 0,35 cm3/g, un volume total mésoporeux et macroporeux d’au moins 1,0 cmŸ#/g et une cristallinité en % d’au moins 22 %.
  19. 19 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 18, dans lequel le noir de carbone est multifonctionnel.
  20. 20 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 19, dans lequel le rapport en % en poids du noir de carbone sur les nanotubes de carbone est dans une plage d’environ 99:1 à environ 1:99.
  21. 21 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 19, dans lequel le rapport en % en poids du noir de carbone sur les nanotubes de carbone est dans une plage d'environ 60:40 à environ 10:90.
  22. 22 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 21, dans lequel le procédé est mené en présence des nanotubes de carbone et du noir de carbone en guise des seuls agents de formation de fibrilles.
  23. 23 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 21, dans lequel le procédé est mené en présence des nanotubes de carbone, du noir de carbone et d’au moins un agent supplémentaire de formation de fibrilles.
  24. 24 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 23, dans lequel le liant est un liant pouvant former des fibrilles, un liant ne pouvant pas former de fibrilles, ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
    Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 23, dans lequel le
  25. 25 liant contient du polytétrafluoroéthylène (PTFE), du fluorure de polyvinylidène (PVDF), ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  26. 26 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 25, dans lequel le traitement du liant comporte une opération de cisaillement élevé suffisante pour former des fibrilles d'un liant pouvant former des fibrilles.
  27. 27 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 25, dans lequel le BE2024/5167 traitement du liant comporte une opération de cisaillement élevé suffisante pour déformer un liant ne pouvant pas former de fibrilles.
  28. 28 Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 27, dans lequel une opération de mélange combinant deux ingrédients ou plus est menée dans des conditions de cisaillement qui sont inférieures aux conditions de cisaillement utilisées dans le traitement du liant.
  29. 29 Procédé comprenant en outre l'application de la composition d'électrode préparée selon l’une quelconque des revendications précédentes à un substrat conducteur, pour former une électrode de batterie.
  30. 30 Procédé comprenant en outre le calandrage de la composition d’électrode préparée selon l’une quelconque des revendications 1 à 28 pour former un film.
  31. 31 Procédé selon la revendication 30, dans lequel le film est autoportant, a une résistance à la traction d'au moins environ 0,1 MPa et une épaisseur dans une plage d'environ 30 à environ 500 micromètres.
  32. 32 Procédé selon la revendication 30 ou la revendication 31, comprenant en outre l’application du film à un substrat conducteur pour former une électrode de batterie.
  33. 33 Procédé sans solvant pour la préparation d’une composition d'électrode, le procédé comprenant : la combinaison d’une matière active d’électrode, d’un liant pouvant former des fibrilles et de nanotubes de carbone ; et la soumission du liant pouvant former des fibrilles à une opération de formation de fibrilles en présence des nanotubes de carbone, dans lequel : la matière active d’électrode, le liant pouvant former des fibrilles, les nanotubes de carbone et la composition d’électrode sont des matériaux particulaires libres, et les nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d'environ 80 à environ 500 m?/g et un diamètre dans une plage d'environ 2 à environ nanomètres.
  34. 34 Procédé sans solvant selon la revendication 33, dans lequel les nanotubes de BE2024/5167 carbone sont fournis en combinaison avec un noir de carbone.
  35. 35 Procédé sans solvant selon les revendications 33 ou 34, comprenant en outre le traitement de la composition d’électrode pour former un film.
  36. 36 Procédé de préparation d’une composition d’électrode, le procédé comprenant : (a) la soumission d’un liant à des conditions de cisaillement élevé en présence de nanotubes de carbone pour traiter le liant ; et (b) l’ajout d’une matière active d’électrode avant, pendant ou après l’étape (a), dans lequel, le procédé est mené sans ajouter de solvant et les nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d’environ 80 à environ 500 m°/g et un diamètre dans une plage d'environ 2 à environ 50 nanomètres.
  37. 37 Procédé selon la revendication 36, dans lequel les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multifonctionnels multi-parois.
  38. 38 Procédé selon la revendication 36, dans lequel les nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d’environ 200 à environ 500 m?°/g.
  39. 39 Procédé selon la revendication 36, dans lequel les nanotubes de carbone ont une granulométrie moyenne (Dso) dans une plage d'environ 5 à environ 500 micromètres telle que mesurée par analyse par diffraction laser.
  40. 40 Procédé selon la revendication 36, dans lequel les nanotubes de carbone sont préalablement broyés en guise de poudre sèche.
  41. 41 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 40, dans lequel la matière active d’électrode, le liant, les nanotubes de carbone et la composition d’électrode sont des matériaux particulaires libres.
  42. 42 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 41, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium.
  43. 43 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 41, dans lequel la matière active d’électrode est du graphite, un composé contenant du silicium, ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  44. 44 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 43, dans lequel les BE2024/5167 nanotubes de carbone sont fournis en une quantité qui n’est pas supérieure à environ 5 % en poids en fonction du poids total de la composition d’électrode.
  45. 45 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 44, dans lequel le procédé est mené en présence des nanotubes de carbone en guise de seul agent de formation de fibrilles.
  46. 46 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 44, dans lequel les nanotubes de carbone sont fournis en combinaison avec un autre agent de formation de fibrilles.
  47. 47 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 44, dans lequel les nanotubes de carbone sont fournis en combinaison avec un noir de carbone.
  48. 48 Procédé selon la revendication 47, dans lequel le noir de carbone a une BET qui n’est pas supérieure à environ 1 600 m°/g et un OAN qui n’est pas supérieur à environ 650 ml/100 g.
  49. 49 Procédé selon la revendication 47, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium et le noir de carbone a une BET dans une plage d'environ 80 à environ 1 600 m°/g et un OAN dans une plage d'environ 120 à environ 650 mI/100 g.
  50. 50 Procédé selon la revendication 47, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 500 à environ 1 600 m°/g et un OAN dans une plage d'environ 180 à environ 650 mI/100 g.
  51. 51 Procédé selon la revendication 47, dans lequel la matière active d’électrode est le graphite et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 35 à environ 1600 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 120 à environ 650 ml/100 g.
  52. 52 Procédé selon la revendication 47, dans lequel la matière active d’électrode est le graphite et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 50 à environ 200 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 130 à environ
    240 ml/100 g.
  53. 53 Procédé selon l’une quelconque des revendications 47 à 52, dans lequel le BE2024/5167 noir de carbone a une ou plusieurs des propriétés suivantes : une énergie de surface inférieure ou égale à environ 15 mJ/m2, une taille planaire microcristalline Raman (La) d’au moins environ 17 À, un volume mésoporeux d’au moins environ 0,35 cm3/g, un volume total mésoporeux et macroporeux d’au moins 1,0 cmŸ#/g et une cristallinité en % d’au moins 22 %.
  54. 54 Procédé selon l’une quelconque des revendications 47 à 53, dans lequel le noir de carbone est multifonctionnel.
  55. 55 Procédé selon l’une quelconque des revendications 47 à 54, dans lequel le rapport en % en poids du noir de carbone sur les nanotubes de carbone est dans une plage d’environ 99:1 à environ 1:99.
  56. 56 Procédé selon l’une quelconque des revendications 47 à 54, dans lequel le rapport en % en poids du noir de carbone sur les nanotubes de carbone est dans une plage d'environ 60:40 à environ 10:90.
  57. 57 Procédé selon l’une quelconque des revendications 47 à 56, dans lequel le procédé est mené en présence des nanotubes de carbone et du noir de carbone en guise des seuls agents de formation de fibrilles.
  58. 58 Procédé selon l’une quelconque des revendications 47 à 56, dans lequel le procédé est mené en présence des nanotubes de carbone, du noir de carbone et d’au moins un agent supplémentaire de formation de fibrilles.
  59. 59 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 58, dans lequel le liant est un liant pouvant former des fibrilles, un liant ne pouvant pas former de fibrilles, ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  60. 60 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 58, dans lequel le liant contient du polytétrafluoroéthylène (PTFE), du fluorure de polyvinylidène (PVDF), ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  61. 61 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 60, dans lequel le traitement du liant comporte une opération de cisaillement élevé suffisante pour former des fibrilles d'un liant pouvant former des fibrilles.
  62. 62 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 60, dans lequel le BE2024/5167 traitement du liant comporte une opération de cisaillement élevé suffisante pour déformer un liant ne pouvant pas former de fibrilles.
  63. 63 Procédé selon l’une quelconque des revendications 36 à 62, dans lequel une opération de mélange combinant deux ingrédients ou plus est menée dans des conditions de cisaillement qui sont inférieures aux conditions de cisaillement utilisées dans le traitement du liant.
  64. 64 Procédé comprenant en outre l'application de la composition d'électrode préparée selon l’une quelconque des revendications 35 à 63 à un substrat conducteur, pour former une électrode de batterie.
  65. 65 Procédé comprenant en outre le calandrage de la composition d’électrode préparée selon l’une quelconque des revendications 35 à 63 pour former un film.
  66. 66 Procédé selon la revendication 65, dans lequel le film est autoportant, a une résistance à la traction d'au moins environ 1 MPa et une épaisseur dans une plage d'environ 30 à environ 500 micromètres.
  67. 67 Procédé selon la revendication 65 ou 66, comprenant en outre l’application du film à un substrat conducteur pour former une électrode de batterie.
  68. 68 Film traité par voie sèche comprenant : une matière active d’électrode, un liant traité et des nanotubes de carbone, dans lequel avant une quelconque opération de séchage, l'électrode à film contient un résidu de solvant en une quantité n'étant pas supérieure à 1 % en poids par rapport au poids théorique de l’électrode à film, dans lequel les nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d'environ 80 à environ 500 m°/g et un diamètre dans une plage d'environ 2 à environ 50 nanomètres.
  69. 69 Film traité par voie sèche selon la revendication 68, dans lequel le film traité par voie sèche est autoportant ou stratifié sur un substrat.
  70. 70 Film traité par voie sèche selon la revendication 98 ou la revendication 69, dans lequel les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multifonctionnels multi-parois.
  71. 71 Film traité par voie sèche selon la revendication 68, dans lequel les BE2024/5167 nanotubes de carbone ont une BET dans une plage d’environ 200 à environ 500 m°/g.
  72. 72 Électrode à film traité par voie sèche selon la revendication 68, dans laquelle les nanotubes de carbone ont une granulométrie moyenne (Dso) dans une plage d'environ 5 à environ 500 micromètres telle que mesurée par analyse par diffraction laser.
  73. 73 Film traité par voie sèche selon la revendication 68, dans lequel les nanotubes de carbone sont préalablement broyés en guise de poudre sèche.
  74. 74 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 73, dans lequel la matière active d’électrode, le liant, les nanotubes de carbone et la composition d’électrode sont des matériaux particulaires.
  75. 75 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 74, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium.
  76. 76 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 74, dans lequel la matière active d’électrode est le graphite, un composé contenant du silicium, ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  77. 77 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 76,
    dans lequel les nanotubes de carbone sont présents à un chargement qui n’est pas supérieur à environ 5 % en poids.
  78. 78 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 77, dans lequel les nanotubes de carbone sont le seul agent de formation de fibrilles.
  79. 79 Procédé selon l’une quelconque des revendications 68 à 77, dans lequel les nanotubes de carbone sont fournis en combinaison avec un autre agent de formation de fibrilles.
  80. 80 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 77, dans lequel le film traité par voie sèche comprend en outre du noir de carbone.
  81. 81 Film traité par voie sèche selon la revendication 80, dans lequel le noir de BE2024/5167 carbone a une BET qui n’est pas supérieure à environ 1 600 m?/g et un OAN qui n’est pas supérieur à environ 650 mI/100 g.
  82. 82 Film traité par voie sèche selon la revendication 80, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 80 à environ 1 600 m°/g et un OAN dans une plage d'environ 120 à environ 650 ml/100 g.
  83. 83 Film traité par voie sèche selon la revendication 80, dans lequel la matière active d’électrode est un composé de métal de transition au lithium et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 500 à environ 1 600 m°/g et un OAN dans une plage d'environ 180 à environ 650 ml/100 g.
  84. 84 Film traité par voie sèche selon la revendication 80, dans lequel la matière active d’électrode est le graphite et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 35 à environ 1 600 m?/g et un OAN dans une plage d’environ
    120 à environ 650 ml/100 g.
  85. 85 Film traité par voie sèche selon la revendication 80, dans lequel la matière active d’électrode est le graphite et le noir de carbone a une BET dans une plage d’environ 50 à environ 200 m?/g et un OAN dans une plage d’environ 130 à environ 240 ml/100 g.
  86. 86 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 80 à 85, dans lequel le noir de carbone a une ou plusieurs des propriétés suivantes : une énergie de surface inférieure ou égale à environ 15 mJ/m2, une taille planaire microcristalline Raman (La) d’au moins environ 17 À, un volume mésoporeux d’au moins environ 0,35 cm3/g, un volume total mésoporeux et macroporeux d’au moins 1,0 cm?3/g et une cristallinité en % d’au moins 22 %.
  87. 87 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 80 à 86, dans lequel le noir de carbone est multifonctionnel.
  88. 88 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 80 à 87, dans lequel le rapport en % en poids du noir de carbone sur les nanotubes de carbone est dans une plage d’environ 99:1 à environ 1:99.
  89. 89 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 80 à 87, BE2024/5167 dans lequel le rapport en % en poids du noir de carbone sur les nanotubes de carbone est dans une plage d’environ 60:40 à environ 10:90.
  90. 90 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 89,
    dans lequel le liant est un liant pouvant former des fibrilles, un liant ne pouvant pas former de fibrilles, ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  91. 91 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 89, dans lequel le liant contient du polytétrafluoroéthylène (PTFE), du fluorure de polyvinylidène (PVDF), ou une combinaison quelconque de ceux-ci.
  92. 92 Film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 91, dans lequel le film est autoportant, a une résistance à la traction d'au moins environ 0,1 MPa et une épaisseur dans une plage d'environ 30 à environ 500 micromètres.
  93. 93 Électrode comprenant le film traité par voie sèche selon l’une quelconque des revendications 68 à 92.
  94. 94 Électrode selon la revendication 93, dans laquelle le film traité par voie sèche est appliqué à un substrat.
  95. 95 Batterie comprenant l’électrode selon la revendication 93 ou la revendication 94.
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