Les piles à combustible et les batteries jouent un rôle important dans la transition énergétique (sortie des énergies fossiles, sources non-émettrice de CO₂, sources d’énergie renouvelables).
Les batteries, en particulier les accumulateurs secondaires rechargeables, contribuent déjà de manière significative à la stabilisation des réseaux électriques ou à l’alimentation des foyers, par exemple comme stockage d’électricité pour les énergies renouvelables. La proportion de voitures électriques à faible émission est également en constante augmentation dans l’industrie automobile.
Contrairement aux batteries, les piles à combustible sont des convertisseurs d’énergie et non des dispositifs de stockage. Elles nécessitent un apport permanent de carburant (par exemple hydrogène ou méthane) pour produire de l’électricité. Aucune émission de CO₂ n’est produite lors de la production directe d’énergie et l’avantage par rapport aux accumulateurs est que la pile n’a pas besoin d’être rechargée tant que du carburant est disponible. Les applications actuelles des piles à combustible incluent l’alimentation en chaleur et en énergie des bâtiments, le fonctionnement d’appareils hors réseau (par exemple stations de mesure) et la propulsion de très grands véhicules (navires, trains).
L’investissement dans le développement des batteries et des piles à combustible est actuellement énorme : pour les batteries, la recherche se concentre principalement sur la durée de vie, la densité énergétique et le comportement de charge, tandis que pour les piles à combustible, l’accent est mis sur le rendement (effet catalytique). Pour ces deux types de produits, les matières premières (composants d’électrodes, matériaux de membranes et électrolytes) et leur traitement lors de la production des cellules jouent un rôle particulièrement important. C’est précisément là que nous proposons des méthodes d'analyse adaptées pour déterminer les paramètres électrochimiques et physiques influents afin d’optimiser le processus de fabrication et les propriétés de la cellule galvanique finale.
Le développement de batteries rechargeables offrant une puissance électrique plus élevée, une durée de vie prolongée ainsi qu’une production et un recyclage plus respectueux de l’environnement constitue l’un des principaux axes du développement actuel des batteries. L’objectif est également de réduire les coûts de fabrication afin de rendre les produits finaux, par exemple dans les segments automobile et domotique, accessibles au plus grand nombre de clients.
Actuellement, il existe différentes approches de recherche pour le développement de nouveaux types de batteries telles que les batteries tout solide, lithium-air ou lithium-soufre, dont aucune n’est encore prête pour la production en série. Le système le plus courant actuellement utilisé est celui des batteries lithium-ion NMC (NMC : nickel-manganèse-cobalt). Elles sont utilisées dans des domaines clés tels que les appareils électroniques portables (smartphones, tablettes, ordinateurs portables) et dans tout le domaine de la mobilité électrique (voitures électriques, véhicules hybrides, fauteuils roulants électriques).
Le processus de fabrication d’une batterie rechargeable lithium-ion moderne est très complexe et implique de nombreuses étapes de production. En principe, la première étape consiste à produire l’anode, la cathode, le séparateur et le boîtier de la cellule, et la seconde étape consiste en l’assemblage de ces composants individuels. Les propriétés des matières premières et la fabrication des électrodes et séparateurs à partir de celles-ci sont essentielles pour la qualité et les performances ultérieures de la batterie finale, et c’est là que nos méthodes d’analyse vous aident à trouver la meilleure solution possible pour votre application.
Les matériaux actifs utilisés pour la fabrication des électrodes d’une batterie lithium-ion comprennent le graphite, le noir de carbone et l’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC). Les séparateurs sont souvent revêtus de matériaux fonctionnels pour améliorer leurs propriétés, par exemple avec de l’oxyde d’aluminium pour accroître la stabilité thermique. Actuellement, le processus de revêtement est généralement réalisé dans une suspension.
La morphologie des poudres de départ, c’est-à-dire la distribution des tailles de particules et la forme des particules, influence à la fois les propriétés des suspensions, la qualité et les performances de la couche d’électrode ou du séparateur. Les particules trop grosses peuvent nuire à l’homogénéité de la couche (épaisseur uniforme, nombre de défauts), et l’allongement des particules (plus en forme de plaquette, de bâtonnet ou rondes) influence à la fois les propriétés rhéologiques de la suspension et donc sa processabilité, ainsi que la densité de compactage et l’arrangement des particules.
Ce sont notamment ces propriétés qui peuvent être analysées de manière précise et rapide avec nos appareils.
Les matériaux liquides de départ pour l’électrolyte sont des solvants organiques tels que le carbonate de diméthyle (DMC) ou le carbonate d’éthyl-méthyle (EMC), la pâte d’anode est souvent aqueuse et le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) est généralement utilisé pour le slurry de la cathode. Même de petites quantités d’eau peuvent interférer particulièrement avec l’électrolyte, car cela décompose le sel conducteur dans le solvant et perturbe ainsi sa fonctionnalité.
La détermination exacte de la conductivité électrique dans des milieux organiques est facilement possible avec nos appareils.
Pour produire les électrodes ou les séparateurs, les particules fonctionnelles sont dispersées dans un milieu liquide à l’aide de différents outils ou machines. Des liquides aqueux et organiques tels que le NMP (N-méthyl-2-pyrrolidone) sont utilisés.
Il est particulièrement important, lors du traitement, que ces dispersions soient caractérisées à l’état original en ce qui concerne leur état de dispersion (degré d’agglomération) et leurs propriétés électrochimiques telles que le potentiel zêta ou la conductivité électrique. Ce n’est qu’ainsi que le processus de production peut être pleinement compris et maintenu stable.
Il est également important, pour le développement et l’amélioration des cellules de batterie, de remplacer les composants écologiquement problématiques tels que le NMP, fréquemment utilisé pour la production des électrodes, et d’étudier des alternatives en ce qui concerne le processus de revêtement.
Certains de nos appareils qui combine l'analyse granulométrique des particules et la mesure du potentiel zêta dans un seul appareil, offre une caractérisation complète de telles dispersions en ce qui concerne l’état de dispersion et les propriétés électrochimiques importantes à l’état concentré originel.
Les principales applications actuelles des piles à combustible concernent l’alimentation énergétique des bâtiments (en particulier au Japon) et l’alimentation électrique pour des stations de mesure ou appareils hors réseau. Un autre segment à fort potentiel futur est le transport de marchandises via de grands moyens de transport tels que les navires ou les trains, afin de réduire les très fortes émissions de CO₂.
Pour rendre la technologie des piles à combustible compétitive dans ce domaine, l’objectif est de minimiser les coûts de production tout en maintenant une qualité de produit élevée.
Comme pour la production des électrodes des batteries lithium-ion, les suspensions liquides jouent un rôle décisif dans la fabrication des piles à combustible à membrane polymère basse température (LT-PEMFC) : le cœur de la cellule, la membrane enduite de catalyseur sur les deux faces (CCM), est produite dans une suspension. Le CCM actif dans la cellule est crucial pour obtenir le meilleur rendement possible et doit être aussi stable que possible face au vieillissement.
Les propriétés des matériaux de départ et de la suspension sont des facteurs déterminants pour répondre aux exigences de qualité, et nos méthodes analytiques permettent de les contrôler et de les optimiser de manière significative.
Pour produire les suspensions (encres catalytiques) destinées à l’enduction de la membrane (décal), on utilise des substrats carbone enduits de platine côté cathode et anode (souvent du noir de carbone). La distribution des tailles de particules de ces poudres catalytiques ou le degré d’agglomération est un facteur important influençant les propriétés de traitement de l’encre catalytique et de la couche d’anode ou de cathode qui suit.
Nos appareils sont idéaux pour mesurer la distribution des tailles de particules de poudres micro- et sub-microscopiques par diffraction laser. Pour la détermination de la taille des particules de platine nanométriques, nos appareils DLS permettent de caractériser des nanoparticules même à faible concentration.
Pour produire les encres catalytiques, les poudres actives sont dispersées dans un milieu liquide, généralement un mélange d’eau, d’un alcool (méthanol, isopropanol) et d’un liant (ionomère), à l’aide d’un mélangeur intensif (dissolveur, mélangeur à palette, etc.).
Un bon mélange des composants, l’absence d’agglomération des particules et des propriétés spécifiques de dispersion telles que la viscosité et la conductivité électrique sont déterminants pour la qualité de la couche active qui sera appliquée.
Comme pour la caractérisation des suspensions pour batteries, nos appareils combinant l'analyse granulométrique des particules et la mesure du potentiel zêta, sont parfaitement adapté pour une analyse complète de la suspension concentrée à l’état originel.
| MÉTHODE D’ANALYSE | PARAMÈTRE |
|---|---|
| Adsorption de gaz | Surface spécifique BET et analyse de porosité |
| Spectroscopie acoustique | Taille des particules dans des dispersions concentrées (micro et nanomètre) |
| Électroacoustique | Potentiel zêta dans des dispersions concentrées |
| Rhéométre à faible volume | Viscosité des dispersions et liquides |
| Rhéométre sans contact par DWS | Propriétés viscoélastiques |
| Diffusion Statique Multiple de la Lumière (SMLS) | Stabilité des dispersions |
| Diffraction laser (humide ou sèche) | Granulométrie des particules |
| DLS – Diffusion Dynamique de la Lumière | Taille des particules à l’échelle nanométrique |
| ELS – Diffusion Electrophorétique de la Lumière | Potentiel zêta |
| Analyse d’images | Forme des particules |
| DVS - Sorption de Vapeur Dynamique | Adsorption et désorption d’eau |
| Pycnométrie à gaz | Densité réelle |
| Densimétre et fluidimétre | Densité tassée, densité apparente, coulabilité... |
| Fours et étuves de laboratoire | Pour des traitements thermiques divers |