WO2018014137A1 - Éléments électrode-séparateur flexibles et procédés pour leur préparation - Google Patents

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electrode
graphene
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Nicolas DELAPORTE
Diby Benjamin OSSONON
Karim Zaghib
Daniel Belanger
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HYDRO-QUéBEC
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the field of technology relates generally to electrodes and processes for their preparation, for example, to flexible electrode-separator elements using graphene as a carbon source and as a binder.
  • This document also describes the use of flexible electrode-separator elements in electrochemical cells, for example, lithium-ion cells.
  • Li TisOi 2 (LTO) is useful for application in Lithium batteries (Ohzuku et al., J. Electrochem Soc, 1995, 142). , 1431-1435, Zaghib et al., J. Electrochem Soc., 1998, 145, 3135-3140).
  • SEI solid electrolyte interface layer
  • this electrode material is very stable upon insertion of lithium and is known as a zero stress material (Zaghib et al., J.
  • the present technology comprises a method for manufacturing a flexible electrode-separator element composed of an electrode material comprising graphene and a separator, the method comprising the steps of: a) mixing a a graphene powder, and optionally an electrochemically active material, with a solvent to form a suspension; b) applying the suspension obtained in (a) to a separator to obtain a layer of electrode material on a surface of the separator; and c) removing the solvent to obtain the electrode-separator element.
  • step (b) comprises spreading the suspension on the separator, for example by the doctor blade method.
  • the process is carried out continuously (for example, from roll to roll).
  • steps (b) and (c) comprise the steps of filtering the suspension obtained in (a) through the separator to obtain a layer of electrode material on a surface of the separator, which is optionally dried, to obtain an electrode-separator element.
  • the suspension comprises an electrochemically active material.
  • the electrochemically active material is selected from ⁇ 2, Li2Ti03, Li4TisOi2, ⁇ 2 ⁇ 5 ⁇ 11, ⁇ 2 ⁇ 4 ⁇ 9, or a combination thereof, LiM'PCU wherein M 'is Fe, Ni, Mn, Co, or a combination thereof, LiV 3 0 8, V 2 0 5, LiMn 2 0 4, LiM "0 2, wherein M" is Mn, Co, Ni, or their combinations, Li (NiM "')C> 2 wherein M"' is Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, or Zr, and combinations thereof.
  • the electrochemically active material is a lithium titanate or a lithium metal phosphate.
  • the electrochemically active material is Li 4 TiO 2, LiFePO 4 , or LiFePO 4 coated with carbon.
  • the graphene powder is obtained by exfoliation, for example, by chemical or electrochemical exfoliation, of a graphite sheet.
  • the electrode material comprises at least 10%, or from about 10% to about 30%, or from about 15% to about 20%, or about 20% by weight of graphene.
  • the solvent is selected from N, N-dimethylformamide, water, an alcohol or a mixture thereof.
  • the mixing step of the present process may further comprise treating the suspension in an ultrasonic bath.
  • the separator is a polymer separator, for example, comprising at least one layer of polypropylene, polyethylene or a combination thereof.
  • the separator may also be multilayer (such as bilayer or trilayer).
  • An example of a polymer separator is a three-layer separator of polypropylene type / polyethylene / polypropylene or Celgard ® type separator.
  • the method comprises a drying step, wherein said drying is carried out at a temperature of at least 50 ° C, or a temperature of at most 160 ° C or at most 120 ° C, or at a temperature inside the range from 50 ° C to 80 ° C, for example, at a temperature of about 60 ° C.
  • the drying step is performed under vacuum.
  • the present technology comprises a flexible electrode-separator element produced by a method as defined herein, and an electrochemical cell comprising such a flexible electrode-separator element, a liquid electrolyte or gel and a counterelectrode.
  • the electrochemical cell comprises an anode, a cathode and a liquid electrolyte or gel, wherein each of the anode and the cathode is a flexible electrode-separator element as defined herein.
  • the present technology refers to the use of electrochemical cells as defined herein in electric or hybrid vehicles, or in computing devices such as smart devices or laptops.
  • Figure 1 is a schematic illustration of the steps for preparing the Li-ion electrodes using a) the method according to one embodiment, and b) a conventional method.
  • FIG. 2 shows photographs of a flexible LFP-separator electrode element according to one embodiment and showing a) the upper part (electrode material); b) the upper and lower parts (folded flexible electrode); and c) the lower part (membrane of the battery separator) of the electrode.
  • FIG. 3 shows the images obtained by scanning electron microscopy (SEM) of the electrode material of an LFPcellgard electrode element according to one embodiment: a) before cycling (image obtained at 1000 ⁇ ); b) before cycling (image obtained at 5000X); c) after cycling (image obtained at 1000X); and d) after cycling (image obtained at 5000X).
  • SEM scanning electron microscopy
  • Figure 4 shows the specific charging (full symbols) and discharge (empty symbols) characteristics of LFP electrodes according to embodiments (0.9 mg / cm 2 and 1.3 mg / cm 2 ) with respect to a conventional electrode LFPalu (1, 1 mg / cm 2 ).
  • Figure 5 shows the specific charging (full symbols) and discharge (empty symbols) capabilities of an LFP electrode according to one embodiment (15% by weight of graphene and 85% by weight of LiFePC C).
  • Figure 6 shows electrochemical impedance spectroscopy measurements for an LFP electrode according to one embodiment with respect to a conventional LFPalu electrode.
  • Figure 7 shows the specific charging (full symbols) and discharge (empty symbols) characteristics of LTOCelgard electrodes as described here (0.9mg / cm 2 , 1.8mg / cm 2 , 2.7mg / cm 2 and 3.6 mg / cm 2 ); and a conventional LTOalu electrode (3.6 mg / cm 2 ).
  • Figure 8 shows charge and discharge profiles for the fifth cycle at a rate of C / 10 for a) LiFePC C (LFP) and Li TisOi2 (LTO) electrodes according to an embodiment against Li metal, and for b) a complete battery vs. LFP.
  • LTO with a weight ratio LFP / LTO 1, according to one embodiment.
  • Figure 9 shows the specific charging (full symbols) and discharge (empty symbols) capabilities of a full LFP vs. VT battery. LTO with an LFP / LTO weight ratio of 1.
  • FIG. 10 shows SEM images of a conventional LFPalu electrode obtained at a) 1000X and b) 5000X.
  • FIG. 11 shows the specific capacitance obtained for a self-supporting electrode (electrode-separator element) of graphene according to one embodiment, cycled at 50 mA / g between the open circuit voltage (OCV) at 4 Vv. Li / Li + .
  • the term "about” when followed by a measurement or reported value means within the acceptable limits of the experimental error as determined by the person skilled in the art, which will depend in part on the how the value is measured or calculated, ie according to the limits of the measuring equipment. This value will also take into account the number of significant digits expressed and the rounding of the values. In the alternative, unless otherwise indicated, when the term “about” is used in the present specification or claims, it means that a margin of error must be assumed, for example plus or minus 10 %, or plus or minus 5%, or plus or minus 1%, of the value described.
  • the present technology relates to a method for producing a flexible electrode-separator element or assembly comprising an electrode material on a separator.
  • the electrode material is on one surface of the separator and no current collector is required on the other side of the electrode material (self-supporting electrode).
  • the electrode material comprises a graphene powder.
  • the graphene powder is produced by exfoliation, for example, by chemical or electrochemical exfoliation of a graphite sheet.
  • the exfoliated graphene powder obtained allows good flexibility of the electrode-separator element.
  • graphene powder is produced by electrochemical exfoliation of a graphite sheet, in which the graphite sheet serves as the anode (connected to the positive terminal of a current source), and the cathode is, for example , platinum (eg, platinum lattice).
  • the electrochemical exfoliation proceeds by electrolysis because the two electrodes are immersed in an electrolytic solution of sulfuric acid and a DC voltage (DC) is applied (for example, a voltage between 4 and 10V, limits included) between the two electrodes.
  • DC DC voltage
  • the electrolysis is carried out for a period of at least 30 minutes, for example between 45 minutes and 1.5 hours.
  • the graphene sheets are then recovered (for example by filtration) and dispersed in an ultrasonic solvent and left standing for the graphite flakes to precipitate.
  • the upper portion of the dispersion is then collected and heat-treated under a hydrogen-containing atmosphere, such as a mixture of hydrogen and an inert gas (eg, about 5% hb in argon).
  • the heat treatment is performed at a temperature above 700 ° C, for example between 800 ° C and 1200 ° C, or about 1000 ° C.
  • the electrode material further comprises an electrochemically active material such as an oxide, a complex oxide, a phosphate, or a silicate.
  • the electrochemically active material comprises a material selected from the group consisting of titanates, lithium titanates, metal phosphates, lithiated metal phosphates, vanadium oxides, lithiated metal oxides, and combinations thereof.
  • the electrochemically active material may be selected from ⁇ 2, Li2Ti03, ⁇ 4 ⁇ 5 ⁇ 2, ⁇ 2 ⁇ 5 ⁇ 11 and hbTUOg, or a combination thereof, LiM'PC wherein M 'is Fe, Ni, Mn, Co, or a combination thereof Wherein M "is Mn, Co, Ni, or a combination thereof, Li (NiM") C> 2, wherein M "is Mn, Al, Fe, Cr, Ti, or Zr, and combinations thereof.
  • the electrochemically active material is selected from lithium titanates and lithium metal phosphates, for example Li 4 Ti50i 2 or LiFePC.
  • the electrochemically active material is coated with carbon.
  • the electrochemically active material comprises carbon-coated lithium and metal phosphate particles, such as carbon-coated LiFePC (referred to as LiFePC / C hereinafter).
  • the polymeric separator is a microporous polymeric separator such as a Celgard ® separator.
  • the polymer separator may be a monolayer or multilayer separator comprising any material known to be compatible with use as a membrane type separator in the production of liquid electrolyte or gel electrolyte batteries.
  • the separator must be chosen for its compatibility with the conditions used in the preparation of the electrode-separator element, for example, solvent, temperature, particle size, etc. The chosen separator will also depend on the scale and method of manufacture, for example, an industrial context using conditions such as those used in stationery processes (for example, using roll-type continuous equipment) . In such examples, the temperature and mechanical strength conditions must be taken into consideration.
  • Nonlimiting examples of separators used in the preparation of batteries include inorganic, organic or naturally occurring materials, for example, at least one of: nonwoven fibers (eg, cotton, nylon, polyesters, glass), polymeric films (eg polyethylene, polypropylene, poly (tetrafluoroethylene), polyvinyl chloride), and natural source substances (eg rubber, asbestos, wood).
  • the separator is a polymer separator comprising at least one layer of polypropylene (PP), polyethylene (PE) or a combination thereof.
  • the separator may also comprise several layers of PE, PP or a combination, for example, a PP / PE / PP triple layer polymer separator.
  • the graphene powder is at least 10% by weight of the total weight of the electrode. Below 10% by weight, the amount of graphene may not be sufficient to allow good flexibility which could involve degradation of the electrode material under mechanical stress.
  • the electrode material may comprise from about 10% to about 30% by weight, or from about 15% to about 20% by weight of graphene.
  • the method comprises a step of mixing the graphene powder, and optionally electrochemically active material, with an aqueous or non-aqueous solvent to form a suspension.
  • the solvent may be any aqueous or non-aqueous solvent known to those skilled in the art and compatible with the separator and active materials, including graphene and the electrochemically active material if present.
  • Non-limiting examples of solvents include ⁇ , ⁇ -dimethylformamide (DMF), water, an alcohol such as methanol, or a combination thereof.
  • the method comprises the steps of applying the slurry to the separator and removing the solvent.
  • the application includes the spreading of the suspension on the separator by a method such as extrusion, back coating, knive-over-roll, scraper blade), the slot-die, or any other similar method.
  • the process is carried out continuously (for example, from roll to roll) in an industrial context.
  • the application comprises a step of filtering the electrode suspension using the separator as a filtration membrane.
  • the suspension is applied to the separator thereby forming a layer of electrode material on one of its surfaces.
  • the suspension is treated in an ultrasonic bath for a period of time of at least 10 minutes prior to its application to or filtration through the separator.
  • the suspension is treated in an ultrasonic bath for about 10 to about 30 minutes, preferably about 20 minutes.
  • filtration of the slurry through the separator membrane is performed under vacuum, using a Buchner-type assembly or any other membrane filtration device known to those skilled in the art.
  • a mixture comprising the solvent (such as DMF), graphene and the electrochemically active material is vacuum filtered until a homogeneous film is formed on the filter, i.e. the separator, which may be a polymer separator such as a Celgard ® membrane.
  • the method further comprises a step of drying the electrode-separator element.
  • the drying step is carried out in an oven, for example under reduced pressure, or any other technique of known drying of the person skilled in the art.
  • the drying temperature is at least 50 ° C.
  • the temperature may be between 50 ° C and 80 ° C, preferably about 60 ° C.
  • the oven is under vacuum to improve the drying process.
  • the drying temperature is below 160 ° C or below 120 ° C.
  • the temperature may be between 50 ° C and 160 ° C, or between 50 ° C and 120 ° C, or between 80 ° C and 160 ° C, or between 80 ° C and 120 ° C.
  • this technology also relates to a flexible electrode-separator element produced by the method described herein.
  • the flexible electrode-separator element comprises a separator having two opposing surfaces.
  • a layer of electrode material which comprises graphene or a mixture of graphene and electrochemically active material, is present on one of the surfaces of the separator to form the electrode, for example, a self-supporting electrode.
  • the electrode material layer is an ultra-thin, self-supporting layer comprising graphene which also acts as a current collector.
  • the electrode-separator element may be an anode-separator or cathode-separator element.
  • An example of an anode-separator element comprises a mixture of graphene and an electrochemically active anode material (such as LUTisO 4) filtered on a polymer separator, thereby forming a layer on one surface of the polymer separator.
  • the graphene layer and the electrochemically active anode material on the surface of the polymer separator act as the anode.
  • An example of a cathode-separator element comprises a mixture of graphene and an electrochemically active cathode material (such as LiFePC or LiFePC coated with carbon) filtered on a polymer separator, thereby forming a layer on one surface of the polymer separator.
  • the graphene and electrochemically active cathode material layer on the surface of the polymer separator then acts as a cathode.
  • a flexible metal grid or printed conductive film may also be used on the surface of the electrode material opposite the separator to replace a current collector and without further binder addition.
  • this technology relates to an electrochemical cell comprising a flexible electrode-separator element as defined herein.
  • the cell Electrochemical is produced using a flexible electrode-separator element, a liquid electrolyte or gel and a counterelectrode.
  • the counter electrode is applied to the opposite surface of the separator.
  • the term "counter electrode” is generally used in the present technology to refer to an electrode of opposite polarity to the graphene-containing electrode. For example, where the electrode containing graphene is an anode, then the counter electrode is a cathode.
  • the electrochemical cell may comprise an electrode-separator element as a cathode-separator and a lithium film as anode.
  • the electrochemical cell comprises an anode and a cathode, both of which are electrode-separator elements such as those described herein, where the free surface of each separator faces the free surface of the other, and a liquid electrolyte or gel is added to impregnate the separators.
  • Example 1 Preparation of electrodes and cells bmwchimigues a) electrochemical exfoliation of a graphite sheet of the graphene powder was obtained by electrochemical exfoliation of graphite foil (Alfa Aesar, 7.5 cm 2 cm ⁇ ⁇ 0.05 cm) (see Canadian Patent Application No. 2,803,772, National University of Singapore). More specifically, this graphite sheet is used as anode (connected to the positive terminal of a direct current source) and the counter-electrode is a platinum lattice (4 cm 2 ). Both the graphite sheet and the counter electrode are immersed in an electrolytic solution of 0.1 M H 2 SO 4 and are separated by a constant distance of 4 cm.
  • graphite foil Alfa Aesar, 7.5 cm 2 cm ⁇ ⁇ 0.05 cm
  • this graphite sheet is used as anode (connected to the positive terminal of a direct current source) and the counter-electrode is a platinum lattice (4 cm 2 ). Both the graphite sheet
  • the electrochemical exfoliation was performed by applying a direct current of 4, 6, 8 or 10 V between the two electrodes. After about 1 h of electrolysis, the solution containing the exfoliated graphene sheets was filtered under vacuum using a Buchner mounting and a filter made of a polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane with a pore size of 0.47 ⁇ .
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the resulting exfoliated graphene powder referred to as EG in the Figures of the present document, was then washed several times with Nanopure water to remove the residual acid before being dispersed in ⁇ , ⁇ -dimethylformamide (DMF) by ultrasonication for 10 min. The dispersion was allowed to stand for 24 hours when a few thick flakes of graphite precipitated.
  • electrochemically active material LiFePCU / C or Li TisOi 2 powder
  • DMF or water
  • Additional experiments were also performed using 85% by weight of LiFePCVC.
  • the solution is then treated in an ultrasonic bath for 20 minutes.
  • the mixture of graphene and electrochemically active material was filtered with a Buchner assembly using a Celgard ® -2320 separator as a filter.
  • FIG. 2 shows an example of a thin and homogeneous LFPcelgard electrode with a Celgard ® -2320 separator. As can be seen in Figure 2b, the electrode is completely flexible without any degradation of the film, which remains intact under mechanical stress. c) Preparation of an electrode on an aluminum foil (comparative)
  • LiFeP0 / C (2-3 wt.% Carbon) and Li 4 Ti 5 Oi 2 were supplied by Hydro-Quebec, Montreal, Canada.
  • the conventional method of manufacture (see Figure 1b) was used and consisted of mixing the electrochemically active material with a conductive additive and a binder in a small amount of solvent to obtain a suspension.
  • the electrochemically active material LiFeP0 / C or Li TisOi2 powder
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • conductive acetylene black in a weight ratio of 80: 10: 10
  • NMP Alfa Aesar, 99%
  • Electrode layers of 50, 85, 185 or 235 ⁇ thick were formed.
  • the aluminum foil including the electrode material layer was then dried at 80 ° C under vacuum for 24 hours. These electrodes are called electrodes LFPalu and LTOalu.
  • the electrode thus obtained is then cut into a circular disk. d) Preparation of electrochemical cells
  • the LFPalu and conventional LTOalu electrodes were assembled and tested in button-type electrochemical cell with two electrodes against a lithium metal electrode, a separator Celgard ® -2320, and a solution of LiPF 6 (1 M) in a mixture of ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) / dimethyl carbonate (DMC) (in a volume ratio of 1: 1: 1) as the electrolyte. Since the LFPcelgard and LTOcelgard electrodes already include a Celgard ® -2320 separating membrane, no additional Celgard ® -2320 was used for the cells comprising these electrodes. The cells were assembled in a glove box filled with dry argon.
  • Figure 3 shows the SEM images of the LFPcelgard electrode before (a and b) and after cycling (c and d).
  • the film surface is composed of small particles of LiFePC C ranging from a few hundred nanometers to 1 ⁇ , scattered everywhere between and on graphene sheets.
  • the present process therefore allows the preparation of a uniform and thin electrode layer having good dispersion of graphene and electrochemically active material.
  • the electrode manufactured with the conventional method has a high degree of agglomeration, as shown in Figure 10, with large clusters composed of LiFePC / C particles.
  • FIG 3c shows the surface of the electrode after cycling and washing with DMC.
  • the film was flatter due to the pressure applied to seal the batteries before cycling but at higher magnification, as shown in Figure 3d, the surface was very similar to that observed before assembly of the cell. Therefore, it appears that graphene and LiFePCU / C particles both remain connected together without dissolution of the electrode material layer, thus providing good evidence that the use of a binder can be avoided in the manufacture of Li-ion batteries using the present method.
  • the coulombic efficiency for the LFPcelgard electrode was lower than that of the LFPalu electrode. This may be due to the different type of carbon used in both types of electrodes.
  • the cycling speed was increased to C / 2
  • the discharge capacity remained stable for the LFPcelgard electrode with a lower material loading (0.9 mg / cm 2 )
  • slightly decreased for the LFPcelgard electrode with loading higher but decreased considerably to reach 110 mAh / g for the electrode manufactured according to the conventional method.
  • Higher capacity was obtained for the LFPcelgard electrode (0.9 mg / cm 2 ) cycled at a rate of 2C.
  • 5C only 15% of the initial discharge capacity was recovered with the LFPalu electrode.
  • FIG. 11 shows the first galvanostatic charge for a self-bearing graphene electrode cycled at 50 mA / g between the open circuit voltage (OCV) and 4 V against Li / Li + .
  • the conductivity of the LFPcelgard and LFPalu electrodes was determined by measurements using the 4-point method with a precision DC current source (Keithley 6220 TM, Signatone). In order to avoid the contribution of the aluminum current collector, the inks used to prepare the LFPalu electrodes were cast on glass slides. For LFPcellgard electrodes, the conductivities were measured directly on the layer of electrode material formed on the Celgard ® membrane. DC current-voltage potential scans were recorded at 100 mV / s and gave a linear response. The electrical conductivity of the cathode was calculated as follows:
  • e is the electric conductivity (S / cm)
  • R is the resistance of the film determined from the inverse slope of the current-voltage curve (IV) ( ⁇ square) and e is the film thickness ( cm).
  • Example 5 Electrochemical Properties of a LFPcelgard / LTOcelgard Battery
  • LFPcelgard and LTOcelgard electrodes have been combined (Celgard ® surfaces facing each other) to prepare a complete Li-ion battery.
  • the LTO anode was in the delithiated state and could theoretically insert 3 lithium ions.
  • the reaction for the cell is given by Equation 1 below:
  • the specific experimental capacity for the two electrodes is lower than the theoretical capacity, this due to the different limitations of the Li-ion cells and particularly the cells of the research type such as button or bag batteries.
  • the LFP and LTO electrodes have a flat plate due to the two-phase reaction occurring at 3.4 and 1.55 Vv. Li / Li + , respectively (Colbow et al., J. Power Sources, 1989, 26, 397).
  • Figure 8b shows the typical charge / discharge plateau of 1.9 V for the complete LFPcelgard / LTOcelgard cell manufactured with the electrodes of which charge / discharge profiles are shown in Figure 8a (Zaghib et al., J. Power Sources, 2014).
  • the discharge capacity of 125 mAh / g is very similar to that of the LTOcelgard electrode, which seems to limit the capacity of the entire battery in this case.
  • the method for producing flexible electrode-separator elements described herein demonstrates that graphene can be used as an additive and as a binder in the manufacture of lithium-ion batteries. This process has demonstrated the possibility of avoiding the use of heavy and inactive aluminum current collectors but also the use of binders and toxic solvents.
  • the electrode film was formed directly on the battery separator. The electrodes are also flexible and show good mechanical resistance. The assembly of a cathode and an anode, both made with the present technique, therefore makes it possible to manufacture a flexible Li-ion battery.

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Abstract

Ce document décrit un procédé pour la préparation d'éléments ou assemblages électrode-séparateur flexibles, qui inclus l'application d'un matériau d'électrode sur le séparateur. Le matériau d'électrode comprend du graphène, par exemple produit par exfoliation de graphite. Les éléments électrode-séparateur obtenus par le procédé de même que leur utilisation dans des cellules électrochimiques sont aussi décrits.

Description

ÉLÉMENTS ÉLECTRODE-SÉPARATEUR FLEXIBLES
ET PROCÉDÉS POUR LEUR PRÉPARATION
DEMANDE PRIORITAIRE
La présente demande revendique la priorité, sous la loi applicable, de la demande provisoire américaine no 62/365,450 déposée le 22 juillet 2016, le contenu de laquelle est incorporé ici par référence dans son intégralité et à toutes fins.
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine technique se rapporte de manière générale aux électrodes et aux procédés pour leur préparation, par exemple, à des éléments flexibles de type électrode-séparateur utilisant du graphène comme une source de carbone et comme liant. Le présent document décrit aussi l'utilisation d'éléments électrode-séparateur flexibles dans des cellules électrochimiques, par exemple, des piles lithium-ion.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les procédés conventionnels pour la préparation d'électrodes nécessitent généralement, par exemple, l'utilisation de liants résistifs et coûteux (ex. PVDF) ainsi que des solvants toxiques et dispendieux, tels que la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP). Ces procédés comprennent de nombreuses étapes, c'est-à-dire le broyage, le mélange des composants (additif conducteur, liant, matériau d'anode/cathode), la préparation d'une suspension, l'épandage de la suspension, l'élimination du solvant, etc., lesquelles augmentent grandement le temps nécessaire pour la fabrication de l'électrode. En outre, des collecteurs de courant en aluminium sont généralement utilisés, ce qui limite la densité d'énergie de l'électrode puisque le collecteur de courant en aluminium représente à lui seul près de 50% du poids total de l'électrode. À titre d'exemple, pour une électrode de LiFeP0 /C (LFP), avec une charge de 3.6 mg/cm2, le collecteur de courant en aluminium représente 47% du poids de l'électrode. Ce pourcentage augmente considérablement pour les électrodes plus minces.
Tel que rapporté récemment (Daniel et al., J. Power Sources, 2015, 275, 234-242), des efforts importants ont été consacrés à la réduction des coûts de traitement des batteries Li-ion. Selon la modélisation des coûts présentée dans Daniel et al., 50% du prix d'une batterie Li-ion provient des matériaux composites d'électrodes et des collecteurs de courant. Il a aussi été démontrés que les coûts d'une dispersion de PVDF sont estimés à $18.9-23.1/kg contre $0.5-1.4/kg pour le CMC.
Outre l'électrode de graphite, largement utilisée comme anode dans les batteries Li-ion commercialisées, le Li TisOi2 (LTO) est intéressant pour application dans des batteries Li- ion (Ohzuku et al., J. Electrochem. Soc, 1995, 142, 1431-1435; Zaghib et al., J. Electrochem. Soc, 1998, 145, 3135-3140). L'avantage principal de Li TisOi2 est qu'une couche d'interface électolyte solide (SEI) ne se forme pas à sa surface lors du cyclage en raison de son potentiel de travail élevé de 1.55 V contre Li/Li+. En outre, ce matériau d'électrode est très stable lors de l'insertion de lithium et est connu comme un matériau à contrainte nulle (Zaghib et al., J. Power Sources, 2014, 248, 1050-1057). Ce matériau pourrait être utilisé dans la fabrication de piles éventuellement utilisées pour des applications, par exemple, dans des appareils intelligents. Cependant, de la même manière que le LiFeP0 , la performance électrochimique des anodes de LTO est limitée par sa faible conductivité électronique. Par conséquent, les applications à haut débit nécessiteraient que les particules de LTO soient enrobées d'une mince couche de carbone (Doi et al., Chem. Mater, 2005, 17, 1580-1582).
Il existe donc un besoin de diminution du temps nécessaire et/ou des coûts de fabrication pour la préparation des batteries Li-ion. Il existe également un besoin pour des électrodes ayant une densité d'énergie et/ou une efficacité accrue. Enfin, il existe un besoin pour des procédés plus verts, afin de limiter l'utilisation de solvants toxiques ou des conditions de températures et de pression élevées.
SOMMAIRE
Selon un premier aspect, la présente technologie comprend un procédé pour la fabrication d'un élément électrode-séparateur flexible composé d'un matériau d'électrode comprenant du graphène et d'un séparateur, le procédé comprenant les étapes de: a) mélange d'une poudre de graphène, et éventuellement d'un matériau électrochimiquement actif, avec un solvant pour former une suspension; b) application de la suspension obtenue en (a) sur un séparateur pour obtenir une couche de matériau d'électrode sur une surface du séparateur; et c) élimination du solvant pour l'obtention de l'élément électrode-séparateur. Selon un mode de réalisation, l'étape (b) comprend l'épandage de la suspension sur le séparateur, par exemple par la méthode du racleur (doctor blade method). Dans un mode de réalisation, le procédé est effectué de façon continue (par exemple, de rouleau à rouleau). Dans un autre mode de réalisation, les étapes (b) et (c) comprennent les étapes de filtration de la suspension obtenue en (a) à travers le séparateur pour obtenir une couche de matériau d'électrode sur une surface du séparateur, lequel est éventuellement séché, pour obtenir un élément électrode-séparateur. Dans un mode de réalisation, la suspension comprend un matériau électrochimiquement actif. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi ΤΊΟ2, Li2Ti03, LÏ4TisOi2, Η2ΤΊ5Ο11 , Η2ΤΊ4Ο9, ou une de leur combinaisons, LiM'PCU dans lequel M' est Fe, Ni, Mn, Co, ou une de leur combinaisons, LiV308, V205, LiMn204, LiM"02, dans lequel M" est Mn, Co, Ni, ou une de leur combinaisons, Li(NiM"')C>2 dans lequel M'" est Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, ou Zr, et leurs combinaisons. Dans un autre mode de réalisation, le matériau électrochimiquement actif est un titanate de lithium ou un phosphate de lithium et de métal. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif est Li4TisOi2, LiFeP04, ou LiFeP04 enrobé de carbone.
Dans un mode de réalisation, la poudre de graphène est obtenue par exfoliation, par exemple, par exfoliation chimique ou électrochimique, d'une feuille de graphite. Par exemple, le matériau d'électrode comprend au moins 10%, ou d'environ 10% à environ 30%, ou d'environ 15% à environ 20%, ou environ 20% en poids de graphène. Dans un autre mode de réalisation, le solvant est choisi parmi le N,N-diméthylformamide, l'eau, un alcool ou un de leurs mélanges. L'étape de mélange du présent procédé peut en outre comprendre le traitement de la suspension dans un bain à ultrasons.
Dans un autre mode de réalisation, le séparateur est un séparateur de polymère, par exemple, comprenant au moins une couche de polypropylène, de polyéthylène ou une combinaison de ceux-ci. Le séparateur peut aussi être multicouche (tel que bicouche ou tricouche). Un exemple de séparateur polymère est un séparateur tricouche de type polypropylène/polyéthylène/polypropylène ou un séparateur de type Celgard®.
Dans encore un autre mode de réalisation, le procédé comprend une étape de séchage, dans laquelle ledit séchage est effectué à une température d'au moins 50°C, ou une température d'au plus 160°C ou au plus 120°C, ou à une température à l'intérieur de la gamme de 50°C à 80°C, par exemple, à une température d'environ 60°C. Dans un mode de réalisation, l'étape de séchage est effectuée sous vide.
Selon un autre aspect, la présente technologie comprend un élément électrode- séparateur flexible produit par un procédé tel qu'ici défini, et une cellule électrochimique comprenant un tel élément électrode-séparateur flexible, un électrolyte liquide ou gel et une contre-électrode. Dans un mode de réalisation, la cellule électrochimique comprend une anode, une cathode et un électrolyte liquide ou gel, dans laquelle chacune de l'anode et de la cathode est un élément électrode-séparateur flexible tel qu'ici défini. Dans encore un autre mode de réalisation, la présente technologie se réfère à l'utilisation de cellules électrochimiques telles que définies ici dans des véhicules électriques ou hybrides, ou dans des dispositifs informatiques tels que les appareils intelligents ou ordinateurs portables.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 est une illustration schématique des étapes de préparation des électrodes Li- ion en utilisant a) le procédé selon un mode de réalisation, et b) un procédé classique.
La Figure 2 montre des photographies d'un élément électrode LFP-séparateur flexible selon un mode de réalisation et montrant a) la partie supérieure (matériau d'électrode) ; b) les parties supérieure et inférieure (électrode flexible pliée) ; et c) la partie inférieure (membrane du séparateur de batterie) de l'électrode. La Figure 3 montre les images obtenues par microscopie électronique par balayage (MEB) du matériau d'électrode d'un élément électrode LFPcelgard selon un mode de réalisation : a) avant cyclage (image obtenue à 1000X) ; b) avant cyclage (image obtenue à 5000X) ; c) après cyclage (image obtenue à 1000X) ; et d) après cyclage (image obtenue à 5000X).
La Figure 4 montre les capacités spécifiques de charge (symboles pleins) et de décharge (symboles vides) d'électrodes LFP selon des modes de réalisation (0,9 mg/cm2 et 1 ,3 mg/cm2) par rapport à une électrode classique LFPalu (1 , 1 mg/cm2).
La Figure 5 montre les capacités spécifiques de charge (symboles pleins) et de décharge (symboles vides) d'une électrode LFP selon un mode de réalisation (15 % en poids de graphène et 85 % en poids de LiFePC C). La figure 6 montre des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique pour une électrode LFP selon un mode de réalisation par rapport à une électrode classique LFPalu.
La Figure 7 montre les capacités spécifiques de charge (symboles pleins) et de décharge (symboles vides) d'électrodes LTOCelgard tels qu'ici décrits (0,9mg/cm2, 1 ,8mg/cm2, 2,7mg/cm2, et 3,6mg/cm2); et une électrode LTOalu (3,6mg/cm2) conventionnelle.
La Figure 8 montre les profils de charge et décharge pour le cinquième cycle à un taux de C/10 pour a) les électrodes LiFePC C (LFP) et Li TisOi2 (LTO) selon un mode de réalisation contre Li métallique, et pour b) une batterie complète LFP vs. LTO avec un rapport en poids LFP/LTO = 1 , selon un mode de réalisation. La Figure 9 montre les capacités spécifiques de charge (symboles pleins) et de décharge (symboles vides) d'une batterie complète LFP vs. LTO avec un rapport en poids LFP/LTO de 1.
La Figure 10 montre des images MEB d'une électrode LFPalu conventionnelle obtenues à a) 1000X et b) 5000X. La Figure 1 1 montre la capacité spécifique obtenue pour une électrode autoportante (élément électrode-séparateur) de graphène selon un mode de réalisation, cyclée à 50 mA/g entre la tension en circuit ouvert (OCV) à 4 V v. Li/Li+.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Dans le présent document, le terme « environ » lorsque suivi d'une mesure ou valeur rapportée signifie à l'intérieur des limites acceptables de l'erreur expérimentale telle que déterminée par la personne versée dans l'art, qui dépendra en partie de la façon dont la valeur est mesurée ou calculée, c'est-à-dire suivant les limites de l'équipement de mesure. Cette valeur tiendra aussi compte du nombre de chiffres significatifs exprimés et de l'arrondissement des valeurs. Dans l'alternative, à moins d'indication contraire, lorsque le terme « environ » est utilisé dans la présente description ou les revendications, celui-ci signifie qu'une marge d'erreur doit être assumée, par exemple de plus ou moins 10%, ou de plus ou moins 5%, ou encore de plus ou moins 1 %, de la valeur décrite.
Selon un aspect, la présente technologie concerne un procédé pour la production d'un élément ou assemblage électrode-séparateur flexible comprenant un matériau d'électrode sur un séparateur. Le matériau d'électrode est sur une surface du séparateur et aucun collecteur de courant n'est requis de l'autre côté du matériau d'électrode (électrode autoportante).
Dans un mode de réalisation, le matériau d'électrode comprend une poudre de graphène. De préférence, la poudre de graphène est produite par exfoliation, par exemple, par exfoliation chimique ou électrochimique d'une feuille de graphite. La poudre de graphène exfoliée obtenue permet une bonne flexibilité de l'élément électrode-séparateur. Par exemple, la poudre de graphène est produite par exfoliation électrochimique d'une feuille de graphite, dans laquelle la feuille de graphite sert d'anode (connectée à la borne positive d'une source de courant), et la cathode est, par exemple, de platine (par exemple, treillis de platine). L'exfoliation électrochimique procède par électrolyse car les deux électrodes sont immergées dans une solution électrolytique d'acide sulfurique et une tension continue (DC) est appliquée (par exemple, une tension entre 4 et 10V, limites incluses) entre les deux électrodes. L'électrolyse est effectuée pendant une période d'au moins 30 minutes, par exemple entre 45 minutes et 1 ,5 heures. Les feuilles de graphène sont ensuite récupérées (par exemple par filtration) et dispersées dans un solvant par ultrasons et laissées au repos pour que les flocons de graphite précipitent. La partie supérieure de la dispersion est ensuite recueillie et traitée thermiquement sous une atmosphère contenant de l'hydrogène, telle qu'un mélange d'hydrogène et d'un gaz inerte (par exemple, environ 5% hb dans l'argon). Le traitement thermique est accompli à une température au-dessus de 700°C, par exemple entre 800°C et 1200°C, ou environ 1000°C.
Dans un autre mode de réalisation, le matériau d'électrode comprend en outre un matériau électrochimiquement actif tel qu'un oxyde, un oxyde complexe, un phosphate, ou un silicate. Dans un mode de réalisation, le matériau électrochimiquement actif comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué des titanates, titanates de lithium, phosphates de métal, phosphates de métal lithié, oxydes de vanadium, oxydes de métal lithié, et leurs combinaisons. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif peut être choisi parmi ΤΊΟ2, Li2Ti03, ϋ4Τΐ5θΐ2, Η2ΤΊ5Ο11 et hbTUOg, ou une de leurs combinaisons, LiM'PC dans lequel M' est Fe, Ni, Mn, Co, ou une de leurs combinaisons, UV3O8, V2O5, LiMn20 , LiM"C>2, dans lequel M" est Mn, Co, Ni, ou une de leurs combinaisons, Li(NiM"')C>2, dans lequel M'" est Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, ou Zr, et leurs combinaisons. Dans un mode de réalisation, le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi les titanates de lithium et les phosphates de métal lithié, par exemple Li4Ti50i2 ou LiFePC . Dans un mode de réalisation, le matériau électrochimiquement actif est enrobé de carbone. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif comprend des particules de phosphate de lithium et de métal enrobées de carbone, tel que le LiFePC enrobé de carbone (appelé LiFePC /C ci-après).
Dans un mode de réalisation, le séparateur polymère est un séparateur polymère microporeux comme un séparateur Celgard®. Le séparateur polymère peut être un séparateur monocouche ou multicouche comprenant n'importe quel matériau connu comme étant compatible avec l'utilisation comme séparateur de type membrane dans la production de batteries à électrolyte liquide ou électrolyte gel. Le séparateur doit être choisi pour sa compatibilité avec les conditions utilisées dans la préparation de l'élément électrode-séparateur, par exemple, solvant, température, taille de particules, etc. Le séparateur choisi dépendra aussi de l'échelle et de la méthode de fabrication, par exemple, un contexte industriel utilisant des conditions telles que celles utilisées dans les procédés de papeterie (par exemple, en utilisant un équipement en continu de type rouleau à rouleau). Dans tels exemples, les conditions de température et de résistance mécanique doivent être prises en considération. Des exemples non-limitatifs de séparateurs utilises dans la préparation de batteries incluent des matériaux inorganiques, organiques ou d'origine naturelle, par exemple, au moins un de : fibres non-tissées (par exemple, coton, nylon, polyesters, verre), films polymères (par exemple, polyéthylène, polypropylène, poly(tétrafluoroéthylène), chlorure de polyvinyle), et substances de source naturelle (par exemple, caoutchouc, amiante, bois). De préférence, le séparateur est un séparateur polymère comprenant au moins une couche de polypropylène (PP), de polyéthylène (PE) ou d'une combinaison de ceux-ci. Le séparateur peut également comprendre plusieurs couches de PE, PP ou une combinaison, par exemple, un séparateur en polymère à triple couches PP/PE/PP.
Dans un autre mode de réalisation, la poudre de graphène représente au moins 10% en poids du poids total de l'électrode. Sous les 10 % en poids, la quantité de graphène pourrait ne pas être suffisante pour permettre une bonne flexibilité ce qui pourrait impliquer une dégradation du matériau d'électrode sous contrainte mécanique. Par exemple, le matériau d'électrode peut comprendre d'environ 10 % à environ 30 % en poids, ou d'environ 15 % à environ 20 % en poids de graphène. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de mélange de la poudre de graphène, et éventuellement du matériau électrochimiquement actif, avec un solvant aqueux ou non-aqueux pour former une suspension. Le solvant peut être tout solvant aqueux ou non-aqueux connu de la personne versée dans l'art et compatible avec le séparateur et les matériaux actifs, incluant le graphène et le matériau électrochimiquement actif si présent. Des exemples non-limitatifs de solvants incluent le Ν,Ν-diméthylformamide (DMF), l'eau, un alcool tel le méthanol, ou une de leurs combinaisons.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes d'application de la suspension sur le séparateur et élimination du solvant. Par exemple, l'application comprend l'épandage de la suspension sur le séparateur par une méthode telle l'extrusion, le revêtement arrière (back coating), la lame-sur-rouleau (knive-over-roll), le racleur (doctor blade), la filière en forme de fente (slot-die), ou toute autre méthode analogue. Dans un mode de réalisation, le procédé est effectué de façon continue (par exemple, de rouleau à rouleau) dans un contexte industriel.
Dans un mode de réalisation, l'application comprend une étape de filtration de la suspension d'électrode en utilisant le séparateur comme membrane de filtration. La suspension est appliquée sur le séparateur formant ainsi une couche de matériau d'électrode sur l'une de ses surfaces.
Dans un mode de réalisation, la suspension est traitée dans un bain à ultrasons pour une période de temps d'au moins 10 minutes avant son application sur ou sa filtration à travers le séparateur. Par exemple, la suspension est traitée dans un bain à ultrasons pendant environ 10 à environ 30 minutes, de préférence environ 20 minutes. Dans un mode de réalisation, la filtration de la suspension à travers la membrane du séparateur est effectuée sous vide, en utilisant un assemblage de type Buchner ou n'importe quel autre dispositif de filtration sur membrane connu de la personne versée dans l'art. Dans un mode de réalisation, un mélange comprenant le solvant (tel le DMF), le graphène et le matériau électrochimiquement actif est filtré sous vide jusqu'à ce qu'un film homogène se soit formé sur le filtre, c'est à dire sur le séparateur, qui peut être un séparateur polymère tel qu'une membrane Celgard®.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de séchage de l'élément électrode-séparateur. Dans un mode de réalisation, l'étape de séchage est effectuée dans un four, par exemple sous pression réduite, ou toute autre technique de séchage connue de la personne versée dans l'art. Dans un mode de réalisation, la température de séchage est d'au moins 50°C. Par exemple, la température peut se situer entre 50°C et 80°C, de préférence environ 60°C. De préférence, le four est sous vide afin d'améliorer le processus de séchage. Dans un autre mode de réalisation, la température de séchage est sous les 160°C ou sous les 120°C. Par exemple, la température peut se situer entre 50°C et 160°C, ou entre 50°C et 120°C, ou entre 80°C et 160°C, ou encore entre 80°C et 120°C.
Selon un autre aspect, cette technologie concerne aussi un élément électrode-séparateur flexible produit par le procédé décrit ici. L'élément électrode-séparateur flexible comprend un séparateur possédant deux surfaces opposées. Une couche de matériau d'électrode, qui comprend du graphène ou un mélange de graphène et de matériau électrochimiquement actif, est présent sur l'une des surfaces du séparateur afin de former l'électrode, par exemple, une électrode autoportante. Dans un mode de réalisation, la couche de matériau d'électrode est une couche ultra-mince et autoportante comprenant du graphène qui agit aussi comme collecteur de courant.
L'élément électrode-séparateur peut être un élément anode-séparateur ou cathode- séparateur. Un exemple d'un élément anode-séparateur comprend un mélange de graphène et d'un matériau électrochimiquement actif d'anode (tel que LUTisO^) filtré sur un séparateur polymère, formant ainsi une couche sur une surface du séparateur polymère. La couche de graphène et de matériau électrochimiquement actif d'anode située à la surface du séparateur polymère agit comme anode. Un exemple d'un élément cathode-séparateur comprend un mélange de graphène et d'un matériau électrochimiquement actif de cathode (tel que LiFePC ou LiFePC enrobé de carbone) filtré sur un séparateur polymère, formant ainsi une couche sur une surface du séparateur polymère. La couche de graphène et de matériau électrochimiquement actif de cathode située sur la surface du séparateur polymère agit alors comme cathode.
Une grille métallique souple ou un film conducteur imprimé peuvent également être utilisés sur la surface du matériau d'électrode opposée au séparateur en remplacement d'un collecteur de courant et sans autre ajout de liant. Selon un autre aspect, cette technologie concerne une cellule électrochimique comprenant un élément électrode-séparateur flexible tel qu'ici défini. La cellule électrochimique est produite en utilisant un élément électrode-séparateur flexible, un électrolyte liquide ou gel et une contre-électrode. La contre-électrode est appliquée sur la surface opposée du séparateur. Le terme "contre-électrode" est généralement utilisé dans la présente technologie afin de désigner une électrode de polarité opposée à l'électrode contenant du graphène. Par exemple, où l'électrode contenant du graphène est une anode, alors la contre-électrode est une cathode. De façon similaire, lorsque l'électrode contenant du graphène est la cathode, alors la contre-électrode est une anode. Dans un mode de réalisation, la cellule électrochimique peut comprendre un élément électrode- séparateur en tant que cathode-séparateur et un film de lithium en tant qu'anode. Dans un autre mode de réalisation, la cellule électrochimique comprend une anode et une cathode, lesquels sont tous deux des éléments électrode-séparateur tels que ceux ici décrits, où la surface libre de chaque séparateur fait face à la surface libre de l'autre, et un électrolyte liquide ou gel est ajouté pour imprégner les séparateurs.
EXEMPLES The exemples non-limitatifs qui suivent sont à titre illustratif et ne devraient pas être interprétés comme limitant la portée de la présente invention. Ces exemples seront mieux compris en référence aux figures annexées.
Exemple 1 - Préparation d'électrodes et de cellules électrochimigues a) Exfoliation électrochimique d'une feuille de graphite De la poudre de graphène a été obtenue par exfoliation électrochimique d'une feuille de graphite (Alfa Aesar, 7,5 cm χ 2 cm χ 0,05 cm) (voir la demande de brevet canadienne no 2,803,772, National University of Singapore). Plus spécifiquement, cette feuille de graphite est utilisée comme anode (connectée à la borne positive d'une source de courant continu) et la contre-électrode est un treillis de platine (4 cm2). La feuille de graphite et la contre-électrode sont toutes deux immergées dans une solution électrolytique de 0, 1 M H2SO4 et sont séparées par une distance constante de 4 cm. L' exfoliation électrochimique a été effectuée par l'application d'un courant continu de 4, 6, 8 ou 10 V entre les deux électrodes. Après environ 1 h d'électrolyse, la solution contenant les feuilles de graphène exfolié a été filtrée sous vide en utilisant un montage Bûchner et un filtre fait d'une membrane de polytétrafluoroéthylène (PTFE) avec une taille de pores de 0.47 μηι. La poudre de graphène exfoliée résultante, dénommée EG dans les Figures du présent document, a ensuite été lavée plusieurs fois avec de l'eau Nanopure afin d'éliminer l'acide résiduel avant d'être dispersée dans du Ν,Ν-diméthylformamide (DMF) par ultrasonication pendant 10 min. La dispersion a été laissée au repos pendant 24 h lorsque quelques flocons épais de graphite ont précipité. Seule la partie supérieure de la dispersion a été recueillie. Le matériau résultat a été traité pendant 1 h à 1000°C sous argon hydrogéné à 5% et utilisé par la suite dans la fabrication d'anodes et de cathodes tel que décrit ci- dessous. b) Préparation d'élément électrode-séparateur flexible
Selon la méthode décrite ici et illustrée à la Figure 1a, 80% en poids de matériau électrochimiquement actif (poudre de LiFePCU/C ou Li TisOi2) a été dispersée dans 50 mL de DMF (ou d'eau) suivi de l'ajout de 20% en poids de la poudre de graphène exfoliée produite en (a). Des expériences supplémentaires ont aussi été réalisées en utilisant 85% en poids de LiFePCVC. La solution est alors traitée dans un bain à ultrasons pendant 20 min. Le mélange de graphène et de matériau électrochimiquement actif a été filtré avec un assemblage Buchner en utilisant un séparateur Celgard®-2320 comme filtre. Après une demi-heure, une couche comprenant un mélange de graphène et de matériau électrochimiquement actif s'est formée sur le séparateur et a été laissée au repos pour une heure avant d'être séchée dans un four à 60°C sous vide. Après séchage, l'élément électrode-séparateur a été coupé sous forme de disque circulaire. Ces éléments électrode-séparateur ont été dénommés électrodes LFPcelgard et LTOcelgard. La Figure 2 montre un exemple d'une électrode LFPcelgard mince et homogène avec un séparateur Celgard®-2320. Comme il peut être observé sur la Figure 2b, l'électrode est totalement flexible sans aucune dégradation du film, lequel reste intact sous contrainte mécanique. c) Préparation d'une électrode sur une feuille d'aluminium (comparatif)
LiFeP0 /C (2-3 % en poids de carbone) et Li4Ti50i2 ont été fournis par Hydro-Québec, Montréal, Canada. La méthode conventionnelle de fabrication (voir Figure 1 b) a été utilisée et consistait en le mélange du matériau électrochimiquement actif avec un additif conducteur et un liant dans une petite quantité de solvant pour obtenir une suspension. Dans ce cas, le matériau électrochimiquement actif (poudre de LiFeP0 /C ou Li TisOi2) est mélangé avec du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et du noir d'acétylène conducteur dans un rapport en poids de 80: 10: 10, le NMP (Alfa Aesar, 99%) étant utilisé comme solvant. La suspension a ensuite été coulée sur une feuille d'aluminium ayant une épaisseur de 15 μηι. Des couches de of 50, 85, 185 ou 235 μηι d'épaisseur ont été formées. La feuille d'aluminium incluant la couche de matériau d'électrode a ensuite été séchée à 80°C sous vide pendant 24 h. Ces électrodes sont dénommées électrodes LFPalu et LTOalu. L'électrode ainsi obtenue est ensuite coupée en un disque circulaire. d) Préparation de cellules électrochimiques
Les électrodes LFPalu et LTOalu classiques ont été assemblées et testées dans des cellules électrochimiques de type bouton à deux électrodes avec une contre-électrode de lithium métallique, un séparateur Celgard®-2320, et une solution de LiPF6 (1 M) dans un mélange de carbonate d'éthylène (EC)/carbonate de diéthyle (DEC)/carbonate de diméthyle (DMC) (dans un rapport volumique de 1 : 1 : 1) comme électrolyte. Étant donné que les électrodes LFPcelgard et LTOcelgard comprennent déjà une membrane séparatrice Celgard®-2320, aucun Celgard®-2320 additionnel n'a été utilisé pour les cellules comprenant ces électrodes. Les cellules ont été assemblées dans une boite à gants remplie d'argon sec.
Exemple 2 - Caracté sation des électrodes par microscopie électronique à balayage
Une caractérisation par microscopie électronique à balayage (MEB) de la morphologie de la surface des électrodes appliquées sur le séparateur a été réalisée afin de vérifier la bonne distribution du matériau électrochimiquement actif et du graphène dans le film ainsi que pour prouver que le film est resté intact, sans aucune dissolution après cyclage dans une batterie.
Les études morphologiques ont été effectuées avec un microscope électronique à balayage JEOL JSM-7600F équipé d'un détecteur EDS X-Max 80 d'Oxford Instruments.
La Figure 3 présente les images MEB de l'électrode LFPcelgard avant (a et b) et après cyclage (c et d). À faible grossissement (Figure 3a), la surface du film est composée de petites particules de LiFePC C allant de quelques centaines de nanomètres à 1 μηι, dispersées partout entre et sur les feuillets de graphène. Le présent procédé permet donc la préparation d'une couche d'électrode uniforme et mince présentant une bonne dispersion du graphène et du matériau électrochimiquement actif. En comparaison, l'électrode fabriquée avec la méthode classique présente un taux élevé d'agglomération, tel qu'illustré à la Figure 10, avec de grands amas composés de particules de LiFePC /C.
Tel que montré à la Figure 3, malgré qu'aucun liant n'a été utilisé pour préparer l'électrode LFPcelgard, la cathode reste intacte après le cyclage de la cellule et son désassemblage. La Figure 3c montre la surface de l'électrode après cyclage et lavage avec du DMC. Le film était plus plat en raison de la pression appliquée pour sceller les batteries avant cyclage mais à un grossissement plus élevé, comme le montre la figure 3d, la surface était très similaire à celle observée avant l'assemblage de la cellule. Par conséquent, il semble que le graphène et les particules de LiFePCU/C restent tous deux connectés ensemble sans dissolution de la couche de matériau d'électrode, fournissant ainsi de bonnes preuves que l'utilisation d'un liant peut être évitée lors de la fabrication de batteries Li-ion en utilisant la présente méthode.
Tel que mentionné ci-dessus, la caractérisation de l'électrode LFPalu par microscopie électronique à balayage révèle un degré élevé d'agglomération comme montré à la Figure 10. À faible grossissement (Figure 10a), plusieurs amas de quelques micromètres dispersés au hasard peuvent être observés à la surface de l'électrode. Ces amas semblent être majoritairement composés d'agglomérats de LiFePC C en contact avec le liant. Une telle inhomogénéité de la cathode et l'un des facteurs menant à une mauvaise performance électrochimique par rapport à l'électrode LFPcelgard tel qu'expliqué ci- dessous et tel qu'illustré aux Figures 4 et 6.
Exemple 3 - Propriétés électrochimiques des électrodes de LiFePQ4
(a) Capacités spécifiques de charge/décharge
Les performances électrochimiques des électrodes LFPcelgard et LFPalu ont été comparées dans des demi-piles.
Les cellules ont été contrôlées à l'aide d'un potentiostat VMP3 et la procédure de cyclage charge/décharge a été effectuée en mode galvanostatique entre 2.0 et 4.0 V contre Li/Li+ à différentes densités de courant, après 1 h à tension de circuit ouvert (OCV). Pour chaque vitesse de cyclage allant de C/10 à 5C, 10 cycles ont ensuite été enregistrés. La Figure 4 présente les capacités spécifiques de charge et de décharge pour deux électrodes LFPcelgard (0.9mg/cm2 et 1.3 mg/cm2) de même que pour une électrode LFPalu avec une quantité intermédiaire de matériau. À faible densité de courant (C/10), les capacités en décharge pour les deux types d'électrodes ont été similaires et d'environ 140 mAh/g. À cette vitesse de cyclage, l'efficacité coulombique pour l'électrode LFPcelgard était plus basse que celle de l'électrode LFPalu. Ceci peut être dû au différent type de carbone utilisé dans les deux types d'électrodes. Lorsque la vitesse de cyclage a été augmentée à C/2, la capacité de décharge est demeurée stable pour l'électrode LFPcelgard avec un chargement en matériau plus bas (0.9 mg/cm2), a légèrement diminué pour l'électrode LFPcelgard à chargement plus élevé, mais a considérablement diminué pour atteindre 110 mAh/g pour l'électrode fabriquée selon la méthode classique. Une capacité plus élevée a été obtenue pour l'électrode LFPcelgard (0.9 mg/cm2) cyclée à un taux de 2C. À une vitesse de cyclage plus élevée de 5C, seulement 15% de la capacité initiale en décharge a été récupéré avec l'électrode LFPalu. Des rétentions de capacité plus élevées ont aussi été obtenues pour les électrodes LFPcelgard lorsque cyclées jusqu'à un taux de 10C et avec un chargement plus élevé. Une telle amélioration a été observée pour les électrodes produites en utilisant un hybride de LiFeP0 encapsulé dans du graphène nanostructuré utilisant un liant à base de noir d'acétylène téflonisé (Praneetha et al., RSC Adv., 2013, 3, 25403-25409). Tel qu'illustré à la Figure 1 1 , le graphène, qui représente au plus 20% en poids de la masse de l'électrode, n'a pas contribué de façon significative aux capacités spécifiques des électrodes LFPcelgard. En effet, une capacité de moins de 5 mAh/g a été obtenue en cyclant une électrode de graphène autoportante dans la même fenêtre de potentiel, c'est-à-dire entre 2 et 4 V vs. Li/Li+ (voir Figure 1 1). De façon plus spécifique, la Figure 1 1 montre la première charge galvanostatique pour une électrode de graphène autoportante cyclée à 50 mA/g entre la tension en circuit ouvert (OCV) et 4 V contre Li/Li+.
Les capacités spécifiques de charge et décharge pour une électrode à base de graphène (LFPcelgard) comprenant 15% en poids de graphène, basé sur le poids de l'électrode, sont montrées à la Figure 5. Les performances électrochimiques des électrodes LFPcelgard contenant 20 et 15 % en poids de graphène ont été similaires, même à vitesse élevée de cyclage. Cette expérience démontre que le taux de graphène peut être réduit à 15% en poids. En outre, la résistance mécanique du film n'a pas été affectée de façon significative. Une teneur plus basse en graphène (≤ 10 % en poids) montre une réduction de la résistance mécanique des films.
Ces résultats démontrent la possibilité de fabrication facile d'électrodes composite sans l'utilisation d'un liant, et qui présentent de bonnes performances électrochimiques. Les images MEB suggèrent le bon contact électrique entre le graphène et les particules de LiFePC /C et l'absence de grands agglomérats de matériau électrochimiquement actif, ce qui mène à des performances supérieures de cyclage, spécialement à haute vitesse de cyclage.
(b) Impédance et conductivité Des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique ont été réalisées pour les électrodes LFPcelgard (20 % en poids de graphène) et LFPalu. Les diagrammes de Nyquist présentés à la Figure 6 montrent une interception sur l'axe réel à haute fréquence qui est attribuée à la résistance de l'électrolyte. Les valeurs pour cette résistance étaient très similaires puisque le même électrolyte a été utilisé en même quantité. Un demi-cercle dans la région moyenne-haute de fréquence est observé pour les deux électrodes et le diamètre sur l'axe Zre est approximativement égal à la résistance au transfert de charge à travers l'interface électrode/électrolyte (Delaporte et al., ACS Appt. Mater. Interfaces, 2015, 7, 18519-18529). Ces mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique étaient en accord avec performances en cyclage galvanostatique présentées à la Figure 4, puisque la résistance au transfert de charge est plus élevée (410 Ω) pour l'électrode LFPalu en comparaison de l'électrode LFPcelgard (150 Ω). La diminution d'impédance pour l'électrode LFPcelgard a été attribuée à un meilleur contact électrique entre les particules de LiFeP0 /C et les feuillets de graphène dans le matériau d'électrode de même qu'à une distribution plus uniforme du matériau électrochimiquement actif dans l'électrode composite.
En fait, les mesures de conductivité électronique, rapportées au Tableau 1 ci-dessous, montrent que celle-ci était d'un ordre de grandeur plus élevé pour les électrodes LFPcelgard que pour l'électrode LFPalu. De plus, les valeurs pour les deux électrodes LFPcelgard étaient très similaires avec moins de 9% de variation. En revanche, pour l'électrode LFPalu, la variation de conductivité était plus importante (25%). Ce comportement est probablement dû à l'homogénéité améliorée de la couche de matériau d'électrode formée sur le séparateur Celgard®, le matériau étant composé d'un nombre plus petit d'agglomérats.
Tableau 1 : Valeurs de conductivité électronique pour les électrodes LFPcelgard et LFPalu
Figure imgf000018_0001
La conductivité des électrodes LFPcelgard et LFPalu a été déterminée par des mesures utilisant la méthode des 4 pointes avec une source de courant DC de précision (Keithley 6220™, Signatone). Afin d'éviter la contribution du collecteur de courant en aluminium, les encres utilisées pour préparer les électrodes LFPalu ont été coulées sur des lames de verre. Pour les électrodes LFPcelgard, les conductivités ont été mesurées directement sur la couche de matériau d'électrode formée sur la membrane Celgard®. Les balayages de potentiel courant-tension en courant continu ont été enregistrés à 100 mV/s et ont donné une réponse linéaire. La conductivité électrique de la cathode a été calculée comme suit:
1
e Rxe où oe est la conductivité électrique (S/cm), R est la résistance du film déterminée à partir de la pente inverse de la courbe courant-tension (l-V) (Ω carré) et e est l'épaisseur du film (cm).
Exemple 4 - Propriétés électrochimigues des électrodes L ' TisOn
Les performances électrochimiques des électrodes LTOcelgard et LTOalu ont été comparées dans des demi-piles.
Les cellules ont été contrôlées à l'aide d'un potentiostat VMP3 et la procédure de cyclage charge/décharge a été effectuée en mode galvanostatique entre 1.2 et 1.9 V vis-à-vis Li/Li+ à différentes densités de courant, et ce, après 1 h à tension de circuit ouvert (OCV). Pour chaque vitesse de cyclage allant de C/10 à 5C, 10 cycles ont ensuite été enregistrés. Des électrodes de LTO non enrobé ont été préparées tel que décrit à l'Exemple 1 en utilisant une méthode classique (LTOalu) et la présente méthode (LTOcelgard). Les capacités spécifiques en charge et décharge de ces électrodes sont présentées à la Figure 7. Quatres électrodes LTOcelgard avec des chargements de 0.9, 1.8, 2.7 et 3.6 mg/cm2 ont été testées.
De façon similaire à ce qui a été observé ci-dessus à la Figure 4 pour les électrodes LFPcelgard et LFPalu, à faible taux (C), des capacités spécifiques similaires ont été obtenues avec les deux méthodes. Cependant, un déclin important de la capacité a été observé lorsque l'électrode a été cyclée à un courant de C/2. Ceci est dû à la faible conductivité électronique du LTO non enrobé (Doi et al.). À des densités de courant plus élevées, la performance électrochimique des électrodes LTOcelgard ont été supérieures à celles de l'électrode LTOalu, tel qu'observé pour les électrodes de LiFeP0 (voir Figures 4 et 6). La présente méthode peut donc fournir des électrodes à fort chargement sans affecter les performances électrochimiques. En effet, comme montré à la Figure 7, l'augmentation du chargement de l'électrode LTOcelgard par un facteur de 4 n'a pas affecté négativement les capacités spécifiques en charge et décharge.
Exemple 5 - Propriétés électrochimiques d'une batterie LFPcelgard/LTOcelgard
Une cellule LFPcelgard/LTOcelgard avec un rapport en poids de LFP/LTO = 1 a aussi été testée entre 1.0 et 2.5 V à différentes vitesses de cyclage allant de C/10 à 5C. Des mesures d'impédance électrochimique ont été effectuées avec une amplitude de 10 mV et un intervalle de fréquence de 200 kHz à 0.01 Hz. Les mesures d'impédance électrochimique ont été accomplies après chaque cinq cycles de charge/décharge à C/2 et après 4 h laissé à OCV. Toutes les électrodes ont été coupées en disques circulaires (aire=1.767 cm2) ayant un chargement en poids allant de 0.9 à 3.6 mg/cm2 dépendant du matériau ou de l'épaisseur des électrodes.
Les électrodes LFPcelgard et LTOcelgard ont été combinées (les surfaces Celgard® se faisant face) pour préparer une batterie Li-ion complète. L'anode LTO était à l'état délithié et pouvait theoretiquement insérer 3 ions lithium. La réaction pour la cellule est donnée par l'équation 1 ci-dessous:
3 LiFeP04 + Li Ti50i2→ 3 FeP04 + Li7Ti50i2 (équation 1) Puisque la capacité théorique (175 mAh/g) de l'électrode LTO (Zaghib et al., J. Power Sources, 1999, 81-82, 300-305) est légèrement plus élevée que celle de l'électrode LFP (170 mAh/g), un rapport LFP/LTO en poids près de 1 a été utilisé pour la cellule. La Figure 8a présente les profiles charge/décharge pour les électrodes LFPcelgard et LTOcelgard dans une demi-pile et cyclé v. Li métallique à C/10. La capacité spécifique expérimentale pour les deux électrodes est plus basse que la capacité théorique, ceci dû aux différentes limitations des cellules Li-ion et particulièrement les cellules de type recherche telles ques les piles bouton ou sachet. Les électrodes LFP et LTO présentent un plateau plat en raison de la réaction en deux phases se produisant à 3.4 et 1.55 V v. Li/Li+, respectivement (Colbow et al., J. Power Sources, 1989, 26, 397). La Figure 8b montre le plateau charge/décharge typique de 1.9 V pour la pile LFPcelgard/ LTOcelgard complète fabriquée avec les électrodes desquelles les profils charge/décharge sont présentés à la Figure 8a (Zaghib et al., J. Power Sources, 2014). La capacité en décharge de 125 mAh/g est très similaire à celle de l'électrode LTOcelgard, laquelle semble limiter la capacité de toute la batterie dans ce cas-ci.
Les capacités spécifiques de charge et discharge de la pile LFPcelgard/LTOcelgard complète sont montrées à la Figure 9. Les capacités spécifiques pour chaque courant appliqué se sont retrouvées dans la même gamme que celles des électrodes LTO présentées à la Figure 7. Par conséquent, il semble que, dans le cas présent, les performances électrochimiques soient limitées par l'anode de LTO. Par exemple, à 5C les capacités spécifiques pour l'électrode LFPcelgard (voir Figure 4) sont d'environ 80 mAh/g tandis que seulement 40 mAh/g a été attient pour l'électrode LTOcelgard (Figure 7) ou pour la batterie LFPcelgard/LTOcelgard (Figure 9).
Généralement, le procédé pour la production d'éléments électrode-séparateur flexibles décrit ici démontre que le graphène peut être utilisé comme additif et comme liant dans la fabrication de batteries lithium-ion. Ce procédé a démontré la possibilité d'éviter l'utilisation de collecteur de courant en aluminium lourd et inactif mais aussi l'utilisation de liants et de solvants toxiques. Le film d'électrode a été formé directement sur le séparateur de batterie. Les électrodes sont aussi flexibles et montrent une bonne résistance mécanique. L'assemblage d'une cathode et d'une anode, toutes deux fabriquées avec la présente technique, permet donc de fabriquer une batterie Li-ion flexible. La comparaison entre les performances électrochimiques des électrodes de LiFeP0 /C et Li TisOi2 du présent procédé et celles préparées par les méthodes classiques a montré que l'absence d'un liant et l'utilisation de graphène conducteur a résulté en une amélioration des performances. De plus, une batterie LiFePC /l-^TisO^ où l'anode et la cathode sont toutes deux fabriquées selon le présent procédé ont démontré une excellente stabilité durant le cyclage. Dans le présent procédé, les étapes de broyage et de mélange des composantes (additif conducteur, liant, matériau d'anode/cathode) pour la préparation d'une suspension sont remplacées par une seule étape menant à un film mince et homogène formé directement sur le séparateur de batterie (ex. Celgard®). Ce procédé permet aussi une augmentation de la densité d'énergie pour le dispositif puisqu'il évite l'utilisation d'un collecteur de courant en aluminium, lequel représente normalement à lui seul près de 50% du poids total de l'électrode. La personne versée dans l'art comprendra qu'avec la couche de graphène ultra-mince et autoportante, une grille métallique souple ou un film conducteur imprimé (Wu et al., Energy Storage Materials, 2015, 1 , 1 19-126) peut être utilisé comme collecteur de courant. Aucun liant ou collecteur de courant n'est nécessaire, réduisant ainsi considérablement les coûts de fabrication des batteries. En outre, le processus est très rapide et simple, ce qui entraîne également des coûts plus faibles. Le solvant NMP, toxique et coûteux, est remplacé par un solvant moins coûteux ayant une température de séchage beaucoup plus basse, comme le DMF ou un alcool, et aussi l'eau, ce qui donne un processus plus écologique. De nombreuses modifications pourraient être apportées à l'un ou l'autre des modes de réalisation décrits ci-dessus sans s'écarter du cadre de la présente invention. Tous les brevets, références, ou articles de littérature scientifique mentionnés dans ce document sont insérés ici à titre de référence dans leur intégralité et à toutes fins.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la production d'un élément électrode-séparateur flexible comprenant un matériau d'électrode comprenant du graphène sur un séparateur, le procédé comprenant les étapes de :
a) mélange d'une poudre de graphène, et éventuellement d'un matériau électrochimiquement actif, avec un solvant pour former une suspension; b) application de la suspension obtenue en a) sur le séparateur pour obtenir une couche de matériau d'électrode sur une surface du séparateur; et c) élimination du solvant pour l'obtention de l'élément électrode-séparateur flexible.
2. Le procédé de la revendication 1 , dans lequel l'étape (b) comprend une étape d'épandage de la suspension sur le séparateur.
3. Le procédé de la revendication 1 ou 2, dans lequel les étapes (b) et (c) comprennent des étapes filtration de la suspension obtenue en (a) à travers le séparateur pour obtenir une couche de matériau d'électrode sur une surface du séparateur, lequel est éventuellement séché, pour obtenir l'élément électrode-séparateur.
4. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la poudre de graphène est obtenue par exfoliation d'une feuille de graphite.
5. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la suspension comprend le matériau électrochimiquement actif.
6. Le procédé de la revendication 5, dans lequel le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi ΤΊΟ2, Li2Ïi03, LUTisO^, Η2ΤΊ5Ο11 et hbTUOg, ou une de leurs combinaisons, LiM'PC dans lequel M' est Fe, Ni, Mn, Co, ou une de leurs combinaisons, LiV308, V205, LiMn204, LiM"02, dans lequel M" est Mn, Co, Ni, ou une de leurs combinaisons, Li(NiM"')C>2, dans lequel M'" est Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, ou Zr, et leurs combinaisons.
7. Le procédé de la revendication 5, dans lequel le matériau électrochimiquement actif est un titanate de lithium ou un phosphate de lithium et de métal.
8. Le procédé de la revendication 7, dans lequel the matériau électrochimiquement actif est LÏ4TisOi2, LiFePC , ou LiFePC enrobé de carbone.
9. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau d'électrode comprend au moins 10% en poids de graphène.
10. Le procédé de la revendication 9, dans lequel le matériau d'électrode comprend entre environ 10% et environ 30% en poids de graphène.
1 1. Le procédé de la revendication 9, dans lequel le matériau d'électrode comprend d'environ 15% à environ 20% en poids de graphène.
12. Le procédé de la revendication 9, dans lequel le matériau d'électrode comprend environ 20% en poids de graphène.
13. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le solvant est du Ν,Ν-diméthylformamide, de l'eau, un alcool, ou un de leurs mélanges.
14. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel l'étape de mélange comprend en outre le traitement de la suspension dans un bain à ultrasons.
15. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le séparateur est un séparateur polymère.
16. Le procédé de la revendication 15, dans lequel le séparateur polymère comprend au moins une couche de polypropylène, de polyéthylène ou leur combinaison.
17. Le procédé de la revendication 16, dans lequel le séparateur polymère est un séparateur tri-couche polypropylène/polyéthylène/polypropylène.
18. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel l'étape (c) comprend une étape de séchage, dans laquelle ledit séchage est effectué à une température d'au moins 50°C.
19. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 18, dans lequel l'étape (c) comprend une étape de séchage, dans laquelle ledit séchage est effectué à une température d'au plus 160°C ou au plus 120°C.
20. Le procédé de la revendication 18, dans lequel la température est située dans l'intervalle de 50°C à 80°C.
21. Le procédé de la revendication 20, dans lequel la température est d'environ 60°C.
22. Le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 21 , dans lequel l'étape (c) comprend une étape de séchage, dans laquelle ledit séchage est effectué sous vide.
23. Un élément électrode-séparateur flexible produit par un procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 22.
24. Un élément électrode-séparateur flexible comprenant un matériau d'électrode autoportante comprenant une poudre de graphène, et éventuellement d'un matériau électrochimiquement actif, sur un séparateur, le matériau d'électrode étant dépourvu de liant.
25. Une cellule électrochimique comprenant un élément électrode-séparateur flexible tel que défini à la revendication 23 ou 24, un électrolyte liquide ou gel et une contre- électrode.
26. Une cellule électrochimique comprenant une anode, une cathode et un électrolyte liquide ou gel, dans laquelle chacune de l'anode et de la cathode est un élément électrode-séparateur flexible tel que défini à la revendication 23 ou 24.
27. Utilisation de la cellule électrochimique de la revendication 25 ou 26 dans des véhicules électriques ou hybrides, ou dans des dispositifs informatiques.
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