EP4721153A1 - Utilisation de compositions liquides de charges carbonees - Google Patents

Utilisation de compositions liquides de charges carbonees

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EP4721153A1
EP4721153A1 EP24733257.0A EP24733257A EP4721153A1 EP 4721153 A1 EP4721153 A1 EP 4721153A1 EP 24733257 A EP24733257 A EP 24733257A EP 4721153 A1 EP4721153 A1 EP 4721153A1
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EP
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carbon
solvent
dispersant
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homopolymers
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Oleksandr KORZHENKO
Cathy Rey
Christophe VINCENDEAU
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Arkema France SA
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Arkema France SA
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Abstract

La présente invention concerne l'utilisation de compositions liquides de charges carbonées pour la fabrication d'électrodes pour batteries, plus particulièrement de nanotubes de carbone, dans laquelle les charges carbonées dans la composition liquide sont présentent à des teneurs massiques comprises entre 3,5 et 20 %.

Description

DESCRIPTION
TITRE: Utilisation de compositions liquides de charges carbonées
La présente invention concerne l’utilisation de compositions liquides de charges carbonées pour la fabrication d’électrodes pour batteries, plus particulièrement de nanotubes de carbone, dans laquelle les charges carbonées dans la composition liquide sont présentent à des teneurs massiques comprises entre 3,5 et 20 %.
Contexte et art antérieur :
Dans une électrode de batterie Li-ion, il est nécessaire de formuler le matériau électro actif avec des additifs (agent conducteur électronique, liant polymère) pour assurer à cette couche des propriétés mécaniques et électriques nécessaires à son assemblage dans la batterie et à son bon fonctionnement ultérieur. La formulation nécessite la combinaison d’additifs la plus appropriée et des proportions garantissant le meilleur compromis entre un bon fonctionnement de l’électrode et une teneur en additifs minimale.
L’évolution des contraintes environnementales et les procédés de fabrications des électrodes et batteries les contenant imposent des conditions toujours plus économes en ressources en vue notamment une diminution de l’empreinte carbone dans le cadre d’une analyse de cycle de vie selon la norme ISO 14040 (2006).
Les charges carbonées sont des composés qui peuvent prendre différentes formes, telles que les noirs de carbone, les fibres et nano fibres de carbone, les graphènes, les fullerènes, ainsi que les nanotubes de carbone.
Les nanotubes de carbone sont faits de feuillets de graphite enroulés, de diamètre pouvant varier de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. Ils se présentent sous la forme de mono feuillets ou multi feuillets. Les charges carbonées sont utilisées pour améliorer la conductibilité électrique des électrodes des batteries. S’agissant des nanotubes de carbone obtenus dans les différents procédés de synthèse, ils ne peuvent pas être directement formulés car ils se présentent sous forme de fagots ou pelotes enchevêtrées. Il en va de même pour les autres charges carbonées dans une moindre mesure, mais associées souvent aux nanotubes de carbone ce sont ces derniers qui sont souvent les composés qui déterminent la nature des conditions nécessaires à la préparation de dispersions à hautes teneurs en charges carbonées.
Aujourd’hui, l’utilisation de charges carbonées dans des électrodes pour des batteries et en particulier de nanotubes de carbone nécessite de les disperser correctement au préalable sous la forme de dispersion dans un solvant avec des conditions spécifiques. On opère par des méthodes ultrasoniques ou sous cisaillement en présence d’un dispersant ce qui permet en particulier de libérer les nanotubes de carbone de leurs enchevêtrements mais nécessite des quantités importantes de solvant. Compte tenu des faibles quantités de nanotubes de carbone présentent dans ces dispersions, il est par conséquent nécessaire de transporter de grandes quantités de matière entre les sites de production de nanotubes de carbone et de leur dispersion et les utilisateurs, engendrant un bilan carbone très défavorable. Dans l’art antérieur connu, on reporte des dispersions dont les teneurs en nanotubes de carbone sont toujours inférieures à 5%, et plutôt autours de 1 % accompagné de viscosités élevées. La faible quantité de charges carbonées présente dans les dispersions est une limitation à l’utilisation de ces dispersions dans les électrodes car les procédés actuels de fabrication d’électrodes cherchent à limiter au maximum la présence de solvant avec pour objectif ultime la préparation d’électrodes sans solvant (dit « dry process » en langage anglo- saxon).
Ainsi dans EP2550699 on décrit la préparation de compositions liquides de nanotubes de carbone. Cependant, les teneurs en nanotubes de carbone dans le solvant restent faibles, de l’ordre de 2 %.
Dans EP37861 10 il est reporté dans les exemples une teneur en nanotubes de carbone de 5% au maximum avec des viscosités des dispersions élevées. Or la concentration en nanotubes de carbone et la viscosité des dispersions de nanotubes de carbone est un facteur limitant pour leur utilisation.
Un premier problème technique consiste à rechercher des solutions qui permettent d’incorporer le maximum de charges carbonées et en particulier des nanotubes de carbone dans un solvant car c’est ce qui présente le meilleur bilan carbone.
Un deuxième problème technique consiste à trouver des solutions qui permettent à ces compositions de rester liquide dans le temps car si une composition peut être obtenue liquide à l’issue de l’étape de fabrication, elle doit le rester jusqu’à sa destination finale permettant le dépotage facile après son stockage ou son transport vers l’utilisation finale ce qui n’est pas toujours le cas pour une même teneur en nanotubes de carbone selon le couple solvant et dispersant utilisé. La présence d’autres charges carbonées combinées aux nanotubes de carbone ne fait qu’amplifier les difficultés.
Un troisième problème technique est la stabilité en température de la viscosité, car la fabrication, l’entreposage et l’utilisation de ces compositions doivent tolérer des écarts de température.
Les solutions qui peuvent être apportées pour résoudre ces problèmes techniques sont généralement étudiées et caractérisées par des mesures de rhéologie. Malheureusement la présence des charges carbonées et en particulier la présence de nanotubes de carbone masque en grande partie les caractéristiques des solvants et dispersant qui sont nécessaires pour résoudre ces problèmes techniques. C’est pourquoi la demanderesse a étudiée plus particulièrement les comportements rhéologiques des couples dispersant/solvant en absence de charges carbonées car ce sont ces couples qui permettent de prévoir la possibilité de disposer de compositions à hautes teneurs en charges carbonées.
La demanderesse a découvert que de telles compositions à haute teneur en charges carbonées solutionnant ces trois problèmes techniques sont obtenues lorsque le comportement rhéologique du couple dispersant / solvant obéit à certaines conditions de solubilité et reste newtonien au sens de la norme ISO 3219-1 :2021 , c’est-à-dire que le couple dispersant/solvant doit présenter un comportement dans lequel la viscosité en cisaillement est indépendante de la vitesse de cisaillement, de la contrainte de cisaillement et du temps dans la plage de cisaillement 0-150s-1 tout en restant inférieure à 1 Pa.s au cisaillement de 0,1 s-1.
De telles conditions sont gouvernées par le choix du couple solvant - dispersant. Le comportement rhéologique du couple solvant - dispersant est plus représentatif de la dispersion des charges carbonées dans la solution de dispersant et de solvant car il permet de sélectionner les conditions permettant une dispersion stable dans le temps des charges carbonées à haute teneur dans un solvant, typiquement au-delà de 5%.
Lorsque les bonnes conditions sont réunies, il est possible d’obtenir des compositions liquides de nanotubes de carbone présentant des teneurs massiques pouvant aller jusqu’à 20 %. Une mesure du dv50 inférieure à 50 nm atteste de la bonne dispersion des nanotubes de carbone au sein de ces compositions. Avec une combinaison nanotubes de carbone et noir de carbone le Dv50 reste faible avec des valeurs inférieures à 600 nm. Les compositions utilisées dans l’invention restent stables dans le temps, y compris en température.
Ces conditions sont remplies lorsque le dispersant à une solubilité supérieure à 15 % dans le solvant d’une part, et que d’autre part le mélange solvant- dispersant à une teneur supérieure à 15 % de dispersant présente une viscosité dynamique à 0,1 s-1 inférieure à 1 Pa.s, accompagné d’un comportement newtonien dans la plage de cisaillement 0-150 s-1. Avec ces conditions rhéologiques du couple solvant - dispersant, une plage optimale reliant la viscosité et la teneur en charges carbonées dans une dispersion de charges carbonées, de solvant et de dispersant peut être identifiée.
En d’autres termes, si le dispersant est insuffisamment soluble dans le solvant choisi, c’est-à-dire qu’il présente une solubilité massique inférieure à 15 %, il n’est pas possible d’obtenir des dispersions à hautes teneurs en charges carbonées.
Avec les compositions utilisées dans l’invention, il est maintenant possible de répondre aux évolutions de procédé de fabrication des électrodes nécessitant moins de solvant et avec des compositions stables dans le temps. Résumé de l’invention :
L’invention concerne l’utilisation d’une composition pour la formulation d’électrodes, cette composition comprenant :
- des charges carbonées dans des proportions massiques comprises entre 3,5 et 20 % de la composition, choisies parmi les nanotubes de carbone et/ou de noirs de carbone,
- au moins un solvant, choisi parmi l’eau, les N-alkyle pyrrolidones telle que la N-méthyl pyrrolidone, le diméthylsulfoxyde, les alkyle carbonates, le cyrène™, le diméthylformamide, les acétates, les furanes, les alcools,
- au moins un dispersant, choisi parmi les polyvinylpyrrolidone homopolymères ou copolymères, les alcools polyvinyliques homopolymères ou copolymères, les polyacides acryliques homopolymères ou copolymères comprenant de l’acide acrylique, les polyacrylonitriles, les poly nitriles homopolymères et copolymères, les polyesters ou polyéthers linéaires, les polycarboxylates éthers seuls ou en combinaison, dans laquelle la solubilité du dispersant est supérieure à 15 % massique dans le solvant seul et dont le mélange avec le solvant seul présente les deux conditions suivantes lorsqu’il est solubilisé à une teneur supérieure à 15 % massique:
- une viscosité dynamique à 0,1 s-1< 1 Pa.s,
- Un comportement newtonien dans la plage de gradient 0-150 s’1, ladite composition présente un ratio massique charges carbonées/dispersant comprise entre 10/1 et 1/1 , de préférence entre 5/1 et 3/1 , et un pH compris entre 5 et 13.
Description détaillée :
Par comportement newtonien au sens de la norme ISO 3219-1 :2021 , on considère que le couple dispersant/solvant doit présenter un comportement dans lequel la viscosité en cisaillement est indépendante de la vitesse de cisaillement, de la contrainte de cisaillement et du temps dans la plage de cisaillement 0-150s-1, avec une variation maximale de la viscosité dans la plage de cisaillement 0-150 s-1 de 10 %. Les charges carbonées utilisées dans le cadre de l’invention peuvent être des nano fibres de carbone, du graphite synthétique, des nano feuilles de graphite, des nano plaquettes de graphite, des feuilles de graphène, du graphite non synthétique, du graphite naturel, du coke, des nano fibres de carbone graphitées, des nanotubes de carbone, ou leurs combinaisons. Les nanotubes de carbone sont multi parois dont le diamètre est compris entre 8 et 50 nm et de préférence entre 8 et 20 nm (mesuré par microscopie électronique à transmission). Les nanotubes de carbone présentent une surface spécifique mesurée par BET avec un appareil de type ASAP 2460 de Micrometrics comprise entre 120 et 450 M2/g et de préférence entre 150 et 300 M2/g. Ils peuvent être obtenus par tout type de procédé et se présentent à l’issue de leur synthèse sous forme enchevêtrée, fagots, ou une combinaison des deux. Les nanotubes de carbones peuvent être purifiés, c’est-à-dire débarrassés des catalyseurs métalliques nécessaire à leur synthèse. Par nanotube de carbone purifiés, on entend des nanotubes de carbone dont la teneur en métaux est inférieure à 200 ppm et de préférence inférieure à 50 ppm par un traitement thermique sous atmosphère neutre et à une température supérieure à 200 °C avec un temps de traitement variable selon la température généralement compris entre 30 minutes et 3 heures. Les nanotubes de carbones peuvent également être fonctionnalisés. Les nanotubes de carbone ayant subi un traitement thermique sous atmosphère neutre ou réductrice ou sous pression partielle inférieure à 0,8 Pa, et à une température supérieure à 200 °C constituent une variante de l’invention. Ce traitement thermique peut être obtenu aussi par compactage des nanotubes de carbone lors de l’opération de séchages des nanotubes de carbone compactés par exemple en présence d’eau.
L’utilisation des compositions de l’invention dans les procédés de fabrication d’électrode permet ainsi d’utiliser moins de solvant car les charges carbonées dans des dispersions liquides sont présentent à des teneurs massiques comprises entre 3,5 et 20 %, de préférence entre 5 et 14%, de façon préférée entre 5 et 1 1 %, de façon préférée entre 6 et 10%, et de façon encore plus préférée entre 6 et 8%. Par ailleurs, l’utilisation des compositions de l’invention est possible après un stockage prolongé d’un mois, que ce soit à température ambiante ou à 60 °C.
De façon préféré les charges carbonées utilisées dans les compositions de l’invention sont constituées de nanotubes de carbone et/ou de noir de carbone. Lorsqu’il s’agit de noir de carbone associé aux nanotubes de carbone, les ratios massiques nanotubes de carbone/noir de carbone peuvent varier de 100/1 à 1 /100, de préférence de 100/5 à 1 /5. De façon préférée, les graphènes sont exclus des compositions de l’invention.
La surface spécifique des noirs de carbone est inférieure à 2000 m2/g, de préférence inférieure à 1000 m2/g, de façon préférée inférieure à 200 m2/g et une taille de particule inférieure à 50pm mesuré par Malvern Mastersizer 3000.
Par ailleurs, le fait de pouvoir disperser à haute teneur une combinaison nanotubes de carbone et noir de carbone dans une même dispersion permet un gain supplémentaire en économie de solvant et une meilleure performance des électrodes dans les batteries. Jusqu’à aujourd’hui ces deux charges carbonées sont introduites séparément et de façon moins intime au sein des électrodes.
Lors de l’opération de dispersion des charges carbonées avec un solvant et un dispersant, tout type de procédé peut être utilisé. Cela peut être par ultrason, extrusion, extrusion multiple, malaxage, broyage dans un broyeur adapté tel qu’un broyeur à billes ou une combinaison de ces procédés.
Le solvant peut être un solvant ou un mélange de solvants. Par la suite on parlera de solvant ce qui inclus les mélanges de solvants.
Le solvant est choisi parmi l’eau, les N-alkyl pyrrolidone la N-méthyl pyrrolidone, le diméthylsulfoxyde, les alkyle carbonates, le cyrène™, le diméthylformamide, les acétates, les furanes, les alcools et leurs mélanges. De préférence il s’agit de N-méthyl pyrrolidone. La N-méthyl pyrrolidone peut être pure ou issue d’un processus de recyclage ou de réutilisation ne comprenant pas d’étape de distillation. On ne sortirait pas du cadre de l’invention avec un solvant constitué majoritairement d’un des solvants listé ci-dessus et d’un co-solvant non listés ci -dessus. Les dispersants sont choisis parmi les polyvinylpyrrolidone homopolymères ou copolymères, les alcools polyvinyliques homopolymères ou copolymères, les polyacides acryliques homopolymères ou copolymères comprenant de l’acide acrylique, les polyacrylonitriles, les poly nitriles homopolymères et copolymères, les polyesters ou polyéthers linéaires, les polycarboxylates éthers seuls ou en combinaison, et plus particulièrement les polyvinyl pyrrolidone homopolymères ou copolymères et de façon encore préférée les polyvinyl pyrrolidone homopolymères ou copolymères dont la masse moléculaire en poids est comprise entre 20000 et 30000 g/mol. Les poly acides acryliques homopolymères ou copolymères comprenant majoritairement de l’acide acrylique peuvent être utilisés sous forme de leur sels alcalins, de préférence Li+ ou Na+). Par la suite, on parlera de dispersant, le dispersant pouvant être composé seul ou un mélange de dispersants de natures différentes ou de même nature mais de caractéristiques moléculaires différentes (masses moléculaires, dispersité, polymolécularité).
On considère que le dispersant peut-être un seul dispersant ou un mélange de dispersants. La présence de tensio-actifs ou autres additifs peut également être envisagée. Ainsi le dispersant peut-être un dispersant ou mélange de dispersant en présence d’au moins un tensio-actif et/ou autre additif.
Le ratio massique charges carbonées / dispersant est compris entre 10/1 et 1/1 et de préférence entre 5/1 et 2/1 au sein des compositions de l’invention.
Le dispersant et le solvant présentent les caractéristiques combinées suivantes :
- Le dispersant doit être soluble dans le solvant à des teneurs massiques supérieures à 15 % (condition A).
- Le mélange dispersant-solvant selon la condition A doit présenter une viscosité dynamique à 0,1 s-1 inférieure à 1 Pa.s pour une teneur massique supérieure à 15 % dans le solvant (condition B).
- Le mélange dispersant-solvant doit présenter un comportement newtonien dans les plages de gradient comprises entre 0 et 150s-1 et de viscosité dynamique inférieure à 1 Pa.s (condition C). Par solubilité supérieure à 15 % massique, on entend la possibilité de dissoudre plus de 15 g de dispersant pour 100g de solution à des températures comprises entre 15 et 25 ° C.
La mesure de solubilité du dispersant dans le solvant permet une sélection selon le critère A. On estime que le maximum de dispersant que l’on peut solubiliser dans un solvant est la concentration au-delà de laquelle un trouble apparait.
La mesure de la viscosité au cisaillement de 0.1 s-1 du couple dispersant - solvant permet de vérifier que la valeur de 1 Pa.s n’est pas dépassée (critère B).
La mesure de viscosité couple dispersant - solvant dans la plage de cisaillement entre 0-150 s-1 permet de vérifier que le comportement est newtonien avec une viscosité inférieure à 1 Pa.s (critère C).
La vérification des trois critères peut se faire en faisant deux mesures à la portée de l’homme du métier, celle de la solubilité dans le solvant et rétablissement de la courbe rhéologique de la viscosité en fonction du cisaillement à l’aide d’un rhéomètre, selon la norme ISO 3219-2 :2021 .
La démarche générale est donnée en Figure 7.
Les mesures de viscosité des couples dispersant - solvant montrent que les couples sélectionnés dans le cadre de l’invention répondent à l’inéquation suivante (figure 5) :
Y < 0.0006e0 2399X
Ou Y est la viscosité à 0.1 s-1 en Pa.s et X est la teneur massique en % de dispersant.
La mesure des viscosités en présences de charges carbonées montre que les dispersions de l’invention répondent à l’inéquation suivante (figure 6) :
Y1<0.0024e1 2531X1
Ou Y1 est la viscosité à 0.1 s-1 en Pa.s et X1 est la teneur massique en % de charges carbonées. D’autres ajustement sont nécessaires lorsque l’on souhaite obtenir des teneurs en nanotubes de carbone élevées. Ainsi il est apparu qu’un pH basique favorise les hautes teneurs en charges carbonées. Pour ces fortes teneurs il est favorable que les compositions de l’invention présentent un pH compris entre 5 et 13,5, de préférence entre 7 et 12, de façon préférée entre 8 et 1 1 , et de façon encore préférée entre 9 et 1 1 . Le pH peut être ajusté à l’aide d’une base minérale ou organique parmi lesquelles on peut citer de façon non limitative les hydroxydes de sodium, potassium, lithium, les carbonates de sodium, potassium, lithium, les amines. De façon préférée il s’agit d’hydroxydes ou de carbonates de sodium ou de lithium.
Lors de l’utilisation des compositions de l’invention pour formuler une électrode, il conviendra de rajouter les composés nécessaire (matière active, liant polymère, autres additifs). Un ajustement de pH pourra être opéré pour la mise en forme de l’électrode.
L’invention concerne également une électrode utilisant les compositions de l’invention. L’électrode peut être une cathode ou une anode.
L’invention concerne également une batterie comprenant au moins une électrode (anode ou cathode) obtenue à l’aide de l’utilisation des compositions de l’invention.
Description des figures :
Figure 1 : géométrie couette utilisée pour les mesures de rhéologie.
Figure 2 : courbe de viscosité - écoulement de la CMC dans l’eau.
Figure 3 : courbe de viscosité - écoulement de la PVP1 dans l’eau.
Figure 4 : courbe de viscosité - écoulement de la PVP2 dans l’eau.
Figure 5 : Viscosité des solutions dispersant - eau en fonction de la teneur en
% massique de dispersant.
Figure 6 : Viscosité des dispersions en fonction de la teneur en % massique de charges carbonées.
Figure 7 : Logigramme de sélection des couples dispersant - solvant.
Exemples : Produits utilisés pour la l’étude et la préparation des dispersions :
Charges carbonées :
-Nanotubes de carbone (NTC 1 ) : provenance Arkema grade Graphistrength® C100. NTC 1 sont des nanotubes de carbone de type enchevêtrés.
-Nanotubes de carbone (NTC 2) : Préparés selon EP1846157 mais en utilisant un support de catalyseur alumino-silicate. NTC2 sont des nanotubes de carbone de type fagots.
-NTC3 sont des Nanotubes de carbone de type NTC1 ayant subi un traitement thermique à une température supérieure à 200 °C durait 2 heures.
-Noir de carbone (NdC) : provenance Imerys grade SUPER P®Li.
Solvants :
- Eau déminéralisée.
-N-methyl pyrolidone, NMP.
Dispersants :
-Carboxy methyl cellulose (CMC) : provenance et grade Finnfix® 2G.
-Polyvinyl Pyrolidone (PVP1 ) : provenance Sigma-Aldrich® référence 234257 de masse moléculaire en poids de 29000g/mol.
-Polyvinyl Pyrolidone (PVP2) : provenance Nippon Shokubai K-85W de masse moléculaire en poids de 85000 g/mol.
-Poly acides acryliques : Polycarboxylate : provenance Coatex, grade ethacryl hf 50.
-PVDF : provenance Arkema Kynar® 761 .
-caoutchouc nitrile hydrogéné : provenance Lanxess grade Therban® AT 3404.
-Lignine Hydrosoluble : provenance Sigma-Aldrich® grade 370959.
-Ajusteur de pH : Soude NaOH provenance Sigma-Aldrich®
Conditions des mesures rhéologiques :
On utilise un rhéomètre à contraintes imposées type MCR301 de chez ANTON PAAR. La norme utilisée est l’ISO 3219-2 :2021.
Les mesures s’effectuent par balayage de contrainte en écoulement à 20 °C. La géométrie utilisée est de type couette pour lequel la régulation de température est assurée par l’effet Peltier. La géométrie couette utilisée est donnée en figure 1 . La composition à étudier est introduite dans l’entrefer de la géométrie couette à l’aide d’une pipette jetable. La gamme de gradient de cisaillement varie en mode logarithmique de 0.1 à 1000 s-1 avec mesure de 10 points par décade. Exemple 1 : Etude des couples dispersant - solvant et mesure rhéologiques : On réalise les solutions de dispersant dans le solvant par dissolution à 20 °C dans une dispositif tel qu’ un bêcher en présence d’agitation, avec les compositions données au tableau 1 .
Les mesures de rhéologies sont effectuées et les critères remplis ou non A, B, C sont reportées dans le tableau 1 .
A titre d’illustration les comportements rhéologiques de certains couples dispersants - solvants sont reportés dans les figure 2, 3, 4.
[Tableau 1 ]
Exemple 2 :
Dans cette série d’exemples, on étudie le comportement des dispersions de charges carbonées dans des couples dispersant - solvant. Les dispersions de charges carbonées dans un solvant en présence de dispersant sont effectuées selon la méthode décrite dans les exemples 7 et 8 de EP2550699 décrivant le cas pour le couple dispersant - solvant CMC -
Eau. On procède de la même façon pour préparer les dispersions selon les exemples du tableau 2. Les mesures de rhéologies sont faites immédiatement après préparation des dispersions ainsi qu’au bout de 1 mois à température ambiante et à 60 °C. Le Dv 50 est mesuré immédiatement après préparation des dispersions ainsi qu’au bout de 1 mois à l’aide d’un appareil de type Malvern Mastersizer 3000.
Les résultats sont reportés au tableau 2.
[Tableau 2]
On peut constater que les exemples hors invention présentent des taux de charges carbonées faibles, autour de 3- 4%, qui constituent le maximum permettant la préparation de dispersions avec un Dv suffisamment faible et de viscosité acceptable. Au-delà de ces taux, il n’est pas possible d’obtenir des dispersions présentant des caractéristiques satisfaisantes.
Par ailleurs pour ces exemples hors invention, on constate que la viscosité augmente de façon plus importante avec le temps. Lorsque la température de stockage est de 60 °C, la viscosité n’est plus mesuiable avec le mobile utilisé en figure 1 .
Les exemples de l’invention montrent des taux de charges carbonées pouvant aller jusqu’à 1 1 % (exemple 2.12).
Dans tous les cas, la viscosité des compositions de l’invention reste faible ou modérée, et n’évolue pas de façon importante, y compris lorsque les compositions séjournent à 60 °C pendant un mois. Léffet du traitement thermique sur la viscosité des compositions est particulièrement important (exemples 2.10, 2.1 1 , 2.12 et figure 6).
Ainsi comparativement aux formulations classiques contenant moins de 3 % de charges carbonées, les compositions à haute teneur en charges carbonées permettent d’exploiter les procédés de fabrications d’électrodes avec un bilan environnemental plus favorable.
Exemple 3 - Fabrication d’électrode et mesure de leur performances :
Dans cet exemple, on mesure la performance électrique dans une formulation d’électrode du type cathode.
On fabrique des cathodes avec les dispersions immédiatement après avoir préparé les dispersions (2.13a et 2.18a ), puis avec les dispersions ayant été stockées 1 mois à 23 °C (2.13b et 2.18b) et enfin avec les dispersions ayant été stockées 1 mois à 60°C (2.13c et 2.18c). On obtient ainsi une série de cathodes ayant été fabriquées avec des dispersions ayant été stockées de façon différente dans le temps et en température.
Une solution de PVDF Kynar® HSV 1810 (Arkema) à 8 % dans NMP en quantité de 12.5 g a été mélangée avec 4g de la dispersion de l’exemple 2.13a, 2.13b, 2.13c à l’aide d’un mélangeur à disque, à 400 rpm. Après 15 min de mélange, on ajoute progressivement 98.5 g de NMC 622, 10g de NMP supplémentaire.
Ensuite, la dispersion est appliquée sur un support en polyéthylène téréphtalate (PET) à 100 pm de l’épaisseur à l’aide de « doctor blade » en visant une épaisseur de revêtement de 120 pm. Le revêtement est séché dans une étuve ventilée durant 30 min à 130 °C. On obtient ainsi les cathodes C213a, C213b, C213c.
La feuille de PET revêtue est découpée pour obtenir les échantillons 3x4 cm. Les extrémités de chaque échantillon sont recouvertes d’une encre conductrice chargée en argent. La résistivité électrique a été mesurée à l’aide d’électromètre de la marque Keithley.
Le même protocole est appliqué pour obtenir les cathodes avec les dispersions de l’exemple 2.18a, 2.18b et 2.18c en ajustant les quantités de dispersion pour obtenir les mêmes teneurs en charges carbonées que pour la série C213. On obtient ainsi les cathodes C218a, C218b, C218c.
Les résultats des mesures électriques sont résumés dans le Tableau 3.
[Tableau 3] Si pour des dispersions utilisées immédiatement après leur préparation les cathodes montrent des résistivités similaires, il faut noter que celles de l’invention ont permis l’utilisation de dispersions à 11 % de nanotubes de carbone, contre 3 % pour l’exemple comparatif. Lorsque les dispersions sont utilisées après un mois de stockage l’avantage des dispersions de l’invention est net en rapport avec les dispersions de l’exemple comparatif.
Ainsi non seulement l’invention permet l’utilisation de dispersions de charges carbonées avec moins de solvant, mais elle permet de les utiliser également après un mois de stockage à température ambiante ou à 60 °C en gardant leur qualité initiale.

Claims

REVENDICATIONS
1 Utilisation d’une composition pour la formulation d’électrodes, cette composition comprenant :
- des charges carbonées dans des proportions massiques comprises entre 3,5 et 20 % de la composition, choisies parmi les nanotubes de carbone et/ou de noirs de carbone,
- au moins un solvant, choisi parmi l’eau, les N-alkyle pyrrolidones telle que- la N-méthyl pyrrolidone, le diméthylsulfoxyde, les alkyle carbonates, le cyrène™, le diméthylformamide, les acétates, les furanes, les alcools,
- au moins un dispersant, choisi parmi les polyvinylpyrrolidone homopolymères ou copolymères, les alcools polyvinyliques homopolymères ou copolymères, les polyacides acryliques homopolymères ou copolymères comprenant de l’acide acrylique, les polyacrylonitriles, les poly nitriles homopolymères et copolymères, les polyesters ou polyéthers linéaires, les polycarboxylates éthers seuls ou en combinaison, dans laquelle la solubilité du dispersant est supérieure à 15 % massique dans le solvant seul et dont le mélange avec le solvant seul présente les deux conditions suivantes lorsqu’il est solubilisé à une teneur supérieure à 15 % massique:
- Une viscosité dynamique à 0,1 s-1< 1 Pa.s,
- Un comportement newtonien dans la plage de gradient 0-150 s-1, ladite composition présente un ratio massique charges carbonées/dispersant comprise entre 10/1 et 1/1 , de préférence entre 5/1 et 3/1 , et un pH compris entre 5 et 13.
2 Utilisation d’une composition selon la revendication 1 dans laquelle le solvant est l’eau ou la N-méthyl pyrrolidone.
3 Utilisation d’une composition selon la revendication 1 dans laquelle le solvant est la N-méthyl pyrrolidone issue d’un processus de recyclage ou de réutilisation ne comprenant pas d’étape de distillation. 4 Utilisation d’une composition selon la revendication 1 à 3 dans laquelle le dispersant est choisi parmi les polyvinyle pyrrolidone homopolymères ou copolymères dont la masse moléculaire en poids est comprise entre 20000 et 30000 g/mol, les homopolymères ou copolymères comprenant de l’acide acrylique, les polyesters ou polyéthers linéaires, les polycarboxylates éthers.
5 Utilisation d’une composition selon l’une des revendications 1 à 4 dans laquelle les charges carbonées sont choisis parmi les nanotubes de carbone multi paroi dont le diamètre peut varier de 8-50 nm (mesuré par microscopie électronique à transmission) et une surface spécifique BET comprise entre 120 et 450 m2/g et ayant subi un traitement thermique à une température supérieure à 200 °C ou non , les noirs de carbone dent la surface spécifique BET est inférieure à 2000 m2/g et une taille de particule inférieure à 50|im mesuré par Malvern Mastersizer 3000, ou encore les graphènes, ces charges carbonées pouvant être combinée ou non.
6 Electrode obtenue avec une utilisation selon une des revendication 1 à 5.
7 Batterie comprenant au moins une électrode selon la revendication 6.
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