La problématique ?
Dans le cadre du développement d’une nouvelle génération de batteries lithium-ion, l’un de nos clients a constaté une baisse progressive des performances électriques de ses cellules lors des essais de cyclage. Les premières investigations ont montré une diminution de la capacité de la batterie au fil des cycles, alors que le procédé de fabrication des cellules était resté inchangé. Le client suspectait donc une évolution ou une modification des caractéristiques du matériau de cathode utilisé. Plusieurs hypothèses étaient envisagées : variation de la composition du matériau actif, modification de sa structure cristalline, évolution de la taille ou de la morphologie des particules, ou encore variation de la formulation de l’électrode.
Le client a alors sollicité FILAB afin de comparer une cathode présentant de bonnes performances avec une cathode dégradée et d’identifier les caractéristiques du matériau susceptibles d’expliquer cette perte de performance.
Sommaire
Comparer la composition des matériaux de cathode
La première étape consiste à comparer la composition élémentaire des deux cathodes.
Une analyse par MEB-EDX est réalisée afin d’identifier les principaux éléments présents dans le matériau actif et de rechercher d’éventuelles différences entre l’échantillon de référence et l’échantillon présentant une baisse de performance. L’analyse a notamment porté sur des éléments tels que le nickel, le manganèse, le cobalt, le lithium ou encore le fer.
Ces analyses ont permis de vérifier si la diminution des performances peut être associée à une variation de la composition élémentaire du matériau actif ou à la présence d’éléments étrangers.
Cette première étape a également permis de rechercher d’éventuelles impuretés inorganiques susceptibles d'affecter le comportement électrochimique de la cathode.
Vérifier la structure cristalline du matériau actif
La composition chimique ne permettant pas, à elle seule, d’expliquer la baisse de performance, le laboratoire a ensuite étudié la structure du matériau actif.
Une analyse par diffraction des rayons X (DRX) est réalisée sur les cathodes de référence et les cathodes présentant une baisse de performance. L’objectif est de comparer les phases cristallines présentes et de rechercher d’éventuelles différences de structure entre les deux matériaux. Cette analyse permet notamment de vérifier si le matériau utilisé dans la cathode dégradée présente une structure différente de celle du matériau de référence.
Le croisement des résultats MEB-EDX et DRX permet ainsi de déterminer si l’origine de la baisse de performance est plutôt liée à la composition élémentaire ou à la structure du matériau actif.
Étudier la taille et la morphologie des particules
Les investigations sont ensuite orientées vers la morphologie du matériau actif. Une observation au MEB-FEG a permis d’étudier la forme et l’organisation des particules présentes dans les deux cathodes. Une analyse granulométrique a également été réalisée afin de comparer leur distribution en taille.
Cette étape est particulièrement importante car la morphologie et la taille des particules peuvent influencer les propriétés de l’électrode et son comportement lors des cycles de charge et de décharge.
Dans le cas étudié, la comparaison met en évidence une différence de distribution granulométrique et de morphologie entre les deux matériaux. Le matériau associé aux meilleures performances présente une distribution de particules plus homogène, tandis que l’échantillon dégradé montre davantage d’agglomérats et une distribution plus large.
Cette observation constitue une première piste pour expliquer la diminution des performances observée par le client.
Caractériser la formulation complète de l’électrode
Le laboratoire élargit ensuite l’analyse à l’électrode dans son ensemble. Une cathode ne se compose pas uniquement du matériau actif : elle comprend également un liant et un matériau conducteur, dont les proportions et la répartition peuvent influencer le comportement de l’électrode.
Une analyse par ATG a permis d’estimer les proportions relatives des différents constituants de l’électrode, notamment le matériau actif, le liant et le noir de carbone.
Enfin, la mesure de l’épaisseur de l’électrode a permis de compléter l'analyse et de rechercher une éventuelle différence de formulation ou de dépôt entre les échantillons.
Le croisement des résultats permet alors de vérifier si la baisse de performance provient uniquement du matériau actif ou si elle peut également être liée à la formulation et à la mise en œuvre de l’électrode.
Conclusion : identifier le facteur à l’origine de la baisse de performance
La comparaison multi-analytique des cathodes a permis au laboratoire de mettre en évidence plusieurs différences entre l’échantillon de référence et l’échantillon présentant une baisse de performance.
La composition élémentaire et la structure cristalline du matériau actif ne présentent pas de différence majeure. En revanche, l’analyse morphologique révèle une évolution de la distribution granulométrique et une augmentation des agglomérats de particules dans le matériau associé aux performances dégradées.
L’analyse de la formulation de l’électrode permet également de vérifier la proportion de matériau actif, de liant et de matériau conducteur et d’écarter ou de confirmer l’hypothèse d’une modification de formulation.
Le croisement de ces résultats oriente ainsi le client vers une problématique liée à la morphologie et à la distribution des particules du matériau actif, plutôt que vers une modification de sa composition chimique.
Cette étude fournit au client des éléments concrets pour poursuivre ses investigations sur les étapes de fabrication du matériau de cathode : conditions de synthèse, broyage, agglomération, dispersion et formulation de l’électrode.
Au-delà d’une simple analyse de composition, cette démarche permet donc de relier les caractéristiques physico-chimiques du matériau aux performances de la batterie et d’identifier les paramètres susceptibles d’être à l’origine de leur dégradation.
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