Beaucoup d’attention est accordée dans diverses technologies de batterie et de stockage d’énergie à la structure hiérarchique des électrodes de façon à faciliter le flux des ions du métal (généralement du lithium) à travers elles, puisque c’est par ce mécanisme que les électrodes sont chargées et déchargées. Outre les matériaux qui composent les électrodes, un autre facteur qui permet d’en améliorer l’efficacité et la stabilité est le matériau utilisé comme revêtement, l’enrobage. Or, cet aspect fait l’objet d’une moindre attention. Les électrodes enrobées sont pourtant utilisées dans divers environnements de traitement et industriels.

Il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser des électrodes enrobées, mais elles présentent certains avantages qui en valent la peine pour qui dispose de suffisamment de temps et d’argent pour enrober ses électrodes, car l’inconvénient de ce processus est d’être parfois complexe et coûteux, en particulier si l’on utilise les techniques d’enrobage de pointe.

Les deux principales motivations pour développer de nouveaux types d’électrodes sont le gain de performance/rendement et une sécurité accrue. La plupart des développeurs recherchent ces améliorations en utilisant de nouveaux matériaux pour concevoir leurs électrodes. Cependant, l’enrobage offre aux constructeurs d’électrodes la possibilité de continuer à utiliser les matériaux existants, éprouvés et souvent moins onéreux. Nous l’avons dit, ces enrobages peuvent être coûteux s’ils sont sous-traités à d’autres fabricants. C’est notamment le cas lorsque l’application exige un enrobage par dépôt de couche atomique. Il est possible en effet de personnaliser les diverses techniques d’enrobage en fonction des besoins particuliers.

En termes de performance, les électrodes enrobées ont une durée de vie beaucoup plus longue que leurs équivalents non enrobés, ce qui permet de doubler potentiellement la capacité de la batterie dans laquelle elles sont utilisées. L’enrobage augmente le taux de charge de l’électrode, ainsi que sa tension interne, sans compromettre sa sécurité. L’enrobage permet aussi d’empêcher – ou tout du moins de ralentir – la formation progressive d’une couche d’interphase d’électrolyte solide (ou SEI, pour solid electrolyte interphase) dans la batterie, de façon à prévenir la dégradation à terme des performances des électrodes (et de la technologie hôte). Il est également possible d’appliquer des enrobages spécifiques afin d’améliorer les réactions de dégagement d’oxygène (OER) et les réactions de dégagement de chlore (CER) des électrodes. Pour ces enrobages spécifiques, divers matériaux standard de l’industrie peuvent être utilisés en vue d’obtenir le ou les effets recherchés.

Sur le plan de la sécurité, l’enrobage améliore la stabilité de l’arc de l’électrode en ionisant le trajet de l’arc. Il empêche en outre la survenue de surtensions et de cycles rapides. L’électrode gagne aussi en robustesse, car l’enrobage constitue une couche protectrice contre divers contaminants gazeux et liquides qui pourraient l’endommager. Enfin, l’enrobage contribue à réduire la formation de concentrations de gaz potentiellement dangereux, car beaucoup de ces gaz sont formés dans la cathode. La plupart des électrodes de plus grande taille sont utilisées dans des environnements où les conditions de traitement sont difficiles. En pareilles circonstances, l’enrobage est aussi un moyen de protection, notamment contre les scories et le métal en fusion. L’enrobage permet donc aux électrodes de fonctionner dans un environnement beaucoup plus stable, quelle que soit l’application.

Les électrodes peuvent être enrobées de différents matériaux qui peuvent être déposés en diverses épaisseurs en fonction des besoins particuliers. Le matériau est généralement déposé en plusieurs couches sur la ou les électrodes. Le processus connaît toutefois des limites, car le matériau d’enrobage ne peut pas représenter plus de 30 % du poids total de l’électrode. En pratique, cela revient à une épaisseur maximale de 3 mm pour les grandes électrodes. Les matériaux les plus couramment utilisés sont, entre autres, des métaux et des oxydes de métaux, des complexes de métaux de transition, des composés minéraux et des matériaux organiques stables comme la cellulose, par exemple. Il est souvent nécessaire de combiner plusieurs de ces matériaux pour produire un revêtement qui améliore à la fois les performances et la sécurité. De nombreux enrobages sont consolidés à l’aide de liants qui forment des complexes avec les métaux utilisés.

Les techniques de dépôt à l’échelle nanométrique ont fortement progressé ces dernières années, notamment le dépôt par couche atomique (ALD, pour atomic layer deposition), qui permet de déposer un enrobage ultramince sur la surface de l’électrode. Il peut s’agir de nanomatériaux spécifiques ou de films nanométriques de compositions variables. De nombreux nanomatériaux sont d’excellents conducteurs électroniques et ont une mobilité de charge élevée. Ils sont également appréciés pour leur résistance à de nombreuses substances chimiques agressives, à des températures et des pressions élevées et à diverses déformations mécaniques. Du fait de leur faible épaisseur, ces films n’encombrent pas la surface de l’électrode et ne gênent aucunement le mouvement des ions. L’un des principaux avantages des films nanométriques par rapport aux autres types d’enrobage est qu’ils ne nécessitent pas de lier plusieurs composants. Les techniques de nanodéposition permettent d’adapter les éléments spécifiques de l’enrobage de façon à constituer un enrobage chimiquement spécifique qui présente tel ou tel avantage et évite d’utiliser un enrobage combinant plusieurs composants individuels. Ces techniques offrent une grande marge d’ajustement, ce qui les rend très intéressantes par rapport aux autres méthodes d’enrobage d’électrodes. L’inconvénient est qu’elles sont généralement aussi plus coûteuses. Dès lors, elles conviennent mieux aux électrodes de plus petite taille, tandis que d’autres méthodes d’enrobage sont généralement utilisées pour les grandes électrodes.

Conclusion

Beaucoup pensent encore que la performance et la sécurité des électrodes ne peuvent être améliorées qu’à l’aide des matériaux utilisés dans l’électrode. Cependant, ces améliorations peuvent également être obtenues en enrobant les électrodes avec des matériaux existants et éprouvés. De nombreux matériaux peuvent être utilisés à cette fin et de nombreux enrobages sont constitués de multiples composants. L’enrobage par déposition de nanomatériaux ou de films ultraminces (nano-enrobage) est une technique qui est apparue assez récemment grâce aux progrès réalisés dans les techniques de nanofabrication. Bien que son coût soit plus élevé, ce type d’enrobage d’électrodes gagne en popularité.