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Charbon actif pour batterie au lithium

Le charbon actif joue un rôle essentiel dans la fabrication des batteries lithium-ion : il est utilisé comme additif conducteur d’électricité, agent de formation des pores et substance purificatrice de l’électrolyte, ce qui permet d’augmenter la conductivité électrique de l’électrode, d’améliorer l’efficacité du transfert ionique et d’éliminer l’eau et les impuretés du système électrolytique, permettant ainsi d’optimiser la densité énergétique, la durée de vie et la sécurité de la batterie.
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Batterie au lithium et charbon actif – Image en vedette

Qu'est-ce que le charbon actif pour batteries au lithium ?

Le charbon actif au lithium est une catégorie particulière de charbon actif utilisé dans diverses applications liées à la fabrication des batteries lithium-ion : il sert notamment d’additif conducteur pour les électrodes, d’agent porogène dans la formulation de la pâte d’électrode et de milieu de purification de l’électrolyte pour éliminer l’eau, d'impuretés acides et de polluants organiques d'une solution d'électrolyte de qualité batterie avant l'assemblage de la cellule.

Contrairement au charbon actif utilisé à des fins de filtration et de purification, les qualités de charbon destinées aux cellules au lithium sont produites selon des exigences extrêmement strictes qui incluent la surface spécifique BET, la conductivité électrique, la distribution granulométrique, l’humidité, la contamination par des particules magnétiques et les impuretés métalliques. Chacun de ces paramètres a un impact direct sur les propriétés de la batterie : la conductivité électrique, les propriétés cinétiques du transfert d’ions lithium, la résistance interne, la capacité de stockage, la durée de vie en cycles, ainsi que, point crucial, la chaleur et la sécurité. Même une infime quantité de contamination métallique ou d’humidité dans un ACCC peut déclencher un court-circuit interne, accélérer la perte de capacité ou provoquer une surchauffe dans une cellule de batterie assemblée.

Avec la croissance rapide des véhicules électriques, des réseaux électriques et des exigences liées à ces derniers à l'échelle mondiale, les besoins en LCI augmentent à un rythme soutenu, ce qui fait du choix des matériaux et de la qualification des fournisseurs une étape cruciale dans la production des cellules de batterie.

Principaux avantages du charbon actif pour batteries au lithium

  • Amélioration de la conductivité des électrodes et de la capacité de décharge : Le charbon actif est utilisé comme agent conducteur dans les électrodes positives et négatives afin d'augmenter la conductivité électrique de l'ensemble de la matrice de l'électrode, de réduire la résistance interne, d'améliorer la capacité de débit en conditions de charge et de décharge élevées, et de permettre une recharge plus rapide des véhicules électriques et de leurs batteries.
  • Transport ionique optimisé grâce à une porosité contrôlée : Le charbon actif à base de batterie au lithium présente une structure poreuse soigneusement contrôlée qui forme des réseaux interconnectés de transfert ionique au sein de l'électrode, ce qui favorise une diffusion rapide des ions lithium vers la surface du matériau actif, réduit la polarisation de concentration à un taux de décharge élevé et préserve la capacité sur toute la plage de températures de fonctionnement de la cellule de batterie.
  • Purification des électrolytes pour une sécurité accrue des cellules et une durée de vie prolongée : Le lit de charbon actif destiné à la purification de l'électrolyte de la batterie permet d'éliminer l'eau résiduelle, le HF, les polluants organiques et les ions métalliques dissous qui accélèrent la dégradation de l’électrolyte, contribuent à l’instabilité de la couche d’électrolyte solide (SEI) et augmentent le risque de perte de chaleur — ce qui se traduit par une amélioration directe de la sécurité de la cellule finie, du rendement au premier cycle et de la durée de vie en cycles à long terme.
  • Teneur extrêmement faible en particules magnétiques et en impuretés métalliques : Un contrôle rigoureux des polluants métalliques tels que le Fe, le Ni, le Cu et d'autres polluants métalliques, à raison de quelques parties par million, permettra d'éviter la formation d'un court-circuit interne dû au dépôt de particules métalliques sur le film séparateur – une règle de sécurité essentielle pour les batteries destinées au secteur automobile, produites conformément à la norme IATF 16949 et à des procédures de contrôle qualité équivalentes.
  • Une granulométrie homogène pour un traitement uniforme de la pâte d'électrode : Une distribution granulométrique rigoureusement contrôlée garantit les propriétés rhéologiques de la pâte d'électrode, l'uniformité du revêtement et l'uniformité de l'épaisseur de l'électrode, et ce malgré le débit élevé de production des électrodes de batterie.

Les défis du secteur

La contamination par des impuretés métalliques présente des risques graves pour la sécurité

Même des particules métalliques présentes à la concentration de quelques parties par million, telles que le Fe, le Ni, le Cu et d’autres métaux, contenues dans le charbon actif, peuvent se déposer sur la membrane de la cellule, entraînant un court-circuit interne, une accélération de la perte de volume et une perte de chaleur, ce qui constitue un risque inacceptable pour la sécurité d’une batterie au lithium destinée aux véhicules automobiles.

L'uniformité de la taille des particules est essentielle pour le rendement de la fabrication des électrodes

Une distribution granulométrique irrégulière du charbon actif entraîne une viscosité inégale de la pâte d'électrode, des défauts de revêtement et des variations d'épaisseur des électrodes sur la ligne de peinture à grande vitesse, ce qui se traduit par une baisse directe du rythme de production, une variation de la capacité d'une cellule à l'autre et une augmentation des coûts liés au contrôle qualité dans une usine de fabrication de batteries à grande échelle.

Trouver le juste équilibre entre l'amélioration de la conductivité et la charge en matière active

L'ajout de charbon actif en tant qu'additif électroconducteur augmente la conductivité électrique de l'électrode, mais occupe de l'espace et ajoute du poids qui pourraient autrement être consacrés à la cathode ou à l'anode actives ; il est donc nécessaire d'optimiser la charge en charbon afin d'obtenir une efficacité de conduction électrique maximale sans pour autant entraîner une réduction inacceptable de la densité énergétique de la cellule de batterie finale.

Présentation du produit

Charbon actif

EN-PB-2000

Cas d'utilisation spécifiques — Charbon actif pour batteries au lithium

Additif conducteur pour électrode cathodique

Le charbon actif est intégré dans la pâte d’électrode positive des batteries lithium-ion – aux côtés du NMC, du LFP et du NCA – en tant qu’additif conducteur d’électricité qui crée et maintient un chemin de conduction électrique à travers l’ensemble de la matrice de l’électrode. Le charbon actif réduit la résistance interne d’une électrode en comblant l’écart entre une particule de matière active faiblement conductrice et un collecteur de courant, augmente la capacité de débit sous un courant de charge et de décharge élevé, améliore l’utilisation de la capacité à basse température, et préserve l'intégrité de l'électrode lors des variations de volume liées aux processus d'intercalation et de désintercalation du lithium.

Modification des électrodes anodiques et applications du carbone dur

Les matériaux à base de carbone actif et de carbone dur dérivés de précurseurs issus de la biomasse, de résines ou de polymères ont fait l’objet d’études en tant qu’alternative au graphite pour l’anode d’une batterie lithium-ion — en particulier dans les cellules sodium-ion et les cellules lithium-ion de nouvelle génération, dans lesquelles la structure chaotique du carbone actif et dumatériaux à carbone dur offre un environnement propice à l’insertion des ions sodium et lithium, avec un potentiel et une capacité complémentaires aux propriétés de l’anode en graphite traditionnelle. Le carbone dur produit par activation contrôlée d’un précurseur organique est en passe de devenir l’anode de prédilection pour les cellules commerciales de batteries sodium-ion.

Purification de l'électrolyte des batteries

Il est nécessaire de purifier rigoureusement une solution d’électrolyte de batterie de haute pureté — généralement de l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF), soluble dans un solvant organique à base de carbonate — afin d’éliminer l’eau résiduelle, l’acide fluorhydrique, les ions métalliques dissous et les polluants organiques générés au cours de la synthèse et du traitement de l’électrolyte. Dans un procédé de nettoyage électrolytique, on utilise un lit de charbon actif ou une étape de traitement des boues pour absorber ces microparticules, ce qui améliore les propriétés chimiques de l'électrolyte, renforce la qualité de la couche d'interphase électrolytique solide (SEI), réduit la perte de capacité irréversible lors du premier cycle et augmente la stabilité cyclique à long terme de la cellule de batterie au lithium finie.

Agent de formation de pores pour électrode destiné à améliorer le transport d'ions

Dans certaines formulations d’électrodes de cellules au lithium, des grains de charbon microactivés sont intégrés dans le revêtement de l’électrode en tant qu’éléments de formation de pores, créant ainsi un réseau de pores contrôlé dans la configuration de l’électrode comprimée, ce qui favorise la pénétration de l’électrolyte et la diffusion des ions lithium vers la surface du matériau actif, profondément à l’intérieur de l’électrode épaisse. Cette méthode présente un intérêt particulier dans le cas d’une conception d’électrode à haute densité énergétique, dans laquelle une augmentation de la charge en matière active par unité de surface entraîne une restriction du transfert ionique, ce qui réduit la capacité de débit et la capacité volumique lorsque le contrôle des pores de l’électrode est insuffisant.1

Applications des revêtements de séparateurs et des couches fonctionnelles

Dans le domaine de la R&D, le charbon actif est intégré à une peinture de séparation LiBe et à des couches intermédiaires fonctionnelles, qui peuvent être utilisées pour absorber les ions de métaux de transition dissous, les intermédiaires de transport de polysulfures et l'accumulation de produits de décomposition électrolytique dans les cellules, afin d'accélérer la dégradation. La peinture de séparation fonctionnelle à base de charbon actif absorbe ces polluants avant qu'ils ne se déposent sur une électrode ou ne traversent une cloison pour contaminer l'électrode opposée, ce qui permet d'augmenter la durée de vie et la capacité de stockage dans une chimie avancée de cellules lithium-ion.

Purification des gaz de formation et des additifs électrolytiques

Au cours de la phase de formation d'une cellule de batterie au lithium – c'est-à-dire la période initiale de charge/décharge qui entraîne la formation d'une couche SEI et l'activation de la cellule –, la production de gaz résultant de la décomposition de l'électrolyte et de l'eau résiduelle provoque une dilatation de la cellule, une diminution de volume et une accumulation de pression interne qui menacent l’intégrité de la cellule. Du charbon actif est utilisé dans un système de traitement des gaz d’une installation de production de batteries afin de piéger et d’éliminer les vapeurs de solvants organiques, le fluor et les gaz toxiques libérés au cours des opérations de circulation de formation et de remplissage d’électrolyte.

Recyclage des batteries et traitement des matériaux en fin de vie

Avec l'augmentation du nombre de véhicules électriques (VE) et de flottes de VE arrivant en fin de vie, le charbon actif est utilisé dans le recyclage des batteries et l'hydrométallurgie — notamment pour purifier le flux de Li, Co, Ni et Mn issu de la solution de lixiviation de la « Black Mass ». Phase d'absorption par charbon actif : élimination des impuretés organiques, des composés de liaison résiduels des électrodes et des micropolluants du liquide issu du recyclage des métaux.

Les avantages de notre charbon actif pour batteries au lithium

Amélioration significative de la conductivité des électrodes pour des performances à courant élevé

Le charbon actif de qualité batterie au lithium, utilisé comme additif conducteur, améliore considérablement la conductivité électrique des électrodes. Il réduit la résistance interne, améliore la capacité de décharge à des courants de charge et de décharge élevés, et permet une recharge plus rapide des cellules de batteries lithium-ion destinées aux véhicules électriques et à l'électronique grand public.

Teneur en impuretés extrêmement faible pour une sécurité accrue des cellules et une durée de vie prolongée

Un contrôle rigoureux des contaminants métalliques, des particules magnétiques et de l'humidité, conforme aux normes applicables aux batteries, permet d'éviter les courts-circuits internes, de limiter l'instabilité de la couche SEI et de réduire le risque d'emballement thermique. Cela renforce directement les indices de sécurité des cellules de batterie finies, améliore le rendement coulombique dès le premier cycle et optimise la rétention de capacité à long terme tout au long de la durée de vie de la batterie.

Purification précise des électrolytes pour une formation et des performances optimales des cellules

Le charbon actif de haute pureté élimine l'humidité résiduelle, l'acide fluorhydrique, les métaux dissous et les impuretés organiques des solutions d'électrolyte des batteries avant le remplissage des cellules. Ce processus améliore la stabilité chimique de l'électrolyte, optimise la qualité de la formation de la couche SEI, réduit la perte de capacité irréversible pendant les cycles de formation et optimise la densité énergétique et la durée de vie des cellules de batterie au lithium finies.

Voir toutes les catégories de charbon actif

Les performances des batteries au lithium dépendent tout d’abord du choix des qualités de charbon actif, fabriquées conformément aux exigences strictes en matière de pureté, de conductivité électrique et de granulométrie imposées par les normes de qualité applicables aux cellules de batterie. Nous proposons une large gamme de charbons actifs contenant une très faible teneur en impuretés métalliques, présentant une surface spécifique BET et dont le taux d’humidité est rigoureusement contrôlé – spécialement conçus pour les électrodes, les électrolytes et les applications à base de carbone dur. Consultez notre catalogue complet pour comparer les caractéristiques techniques et déterminer la qualité adaptée à la production de vos cellules.
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La fabrication de batteries au lithium constitue l’une des applications les plus importantes dans le domaine en pleine expansion des matériaux avancés, où les matériaux chimiques haute performance apportent une valeur fonctionnelle essentielle. Que vous exerciez votre activité dans les domaines du stockage d'énergie, du traitement de l'eau, de l'épuration des gaz industriels, de la gestion de la pollution atmosphérique ou de la dépollution environnementale, nous utilisons du charbon actif, de l'oxyde d'aluminium, du dioxyde de titane et d'autres matériaux sophistiqués. Recherchez les matériaux et les méthodes de manipulation adaptés à votre utilisation spécifique et à vos exigences de performance.
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