FR3138659A1 - Composition d’anode au liant anionique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une composition aqueuse d’anode comprenant des particules ou des fibres métalliques ou de carbone graphite et un agent liant comprenant au moins un polymère hydrosoluble P qui est préparé à partir d’acide (méth)acrylique et de (méth)acrylate. L’invention concerne également une méthode de fabrication d’une anode au moyen de cette composition aqueuse.
Description
L’invention concerne une composition aqueuse d’anode comprenant des particules ou des fibres métalliques ou de carbone graphite et un agent liant comprenant au moins un copolymère anionique hydrosoluble P qui est préparé à partir d’acide (méth)acrylique et de (méth)acrylate. L’invention concerne également une méthode de fabrication d’une anode au moyen de cette composition aqueuse.
On connait des compositions d’anode qui comprennent généralement du carbone ou un métal sous forme de particules associées à une composition liante. Cette composition liante doit pouvoir lier efficacement le carbone ou le métal à un substrat pour former une anode. Les compositions liantes les plus courantes comprennent un polymère styrène-butadiène. La composition permet de fixer les particules sur un substrat métallique. Le pouvoir liant est donc déterminant lors de la fabrication d’une anode au moyen de ces compostions d’anode. En outre, la résistance mécanique ou la résistance électrochimique est particulièrement recherchée.
Une application aisée et homogène des compositions d’anode est nécessaire afin d’obtenir une couche homogène et de limiter ou d’éviter les défauts à la surface de l’anode, afin d’aboutir à une couche conductrice homogène et particulièrement efficace.
Généralement, les compositions liantes comprennent également différents additifs comme des agents épaississants, des agents dispersants, par exemple un dérivé de cellulose. Les dérivés de cellulose les plus fréquents sont la carboxyméthylcellulose, l’hydroxyéthylcellulose et l’hydroxyméthylcellulose.
Fréquemment, ces compositions d’anode comprennent du silicium afin d’augmenter la capacité des anodes préparées. Lors des cycles de charge-décharge des batteries contenant ces anodes, il est habituel de constater une déformation pouvant conduire à une altération irréversible de l’anode, en particulier du fait de l’augmentation de volume du silicium. La tolérance à la déformation est donc également une propriété recherchée.
Le nombre d’ingrédients utilisés lors de la préparation des compositions d’anode devrait pouvoir être diminué.
La compatibilité des différents ingrédients des compositions d’anode est également un facteur important lors de la préparation des compositions d’anode ainsi qu’au moment de préparer les anodes au moyen de ces compositions.
Les compositions d’anode de l’état de la technique ne sont pas toujours satisfaisantes. Il existe donc un besoin de disposer de compositions d’anode qui permettent d’apporter des solutions à tout ou partie des problèmes des compositions d’anode de l’état de la technique.
Ainsi, l’invention fournit une composition aqueuse T d’anode comprenant :
* au moins un agent liant L comprenant au moins un polymère hydrosoluble P, préparé en présence d’au moins un composé initiateur, par une réaction de polymérisation
* au moins un agent liant L comprenant au moins un polymère hydrosoluble P, préparé en présence d’au moins un composé initiateur, par une réaction de polymérisation
- d’au moins un monomère anionique (a) choisi parmi l’acide acrylique, un sel d’acide acrylique, l’acide méthacrylique, un sel d’acide méthacrylique et leurs combinaisons ;
- d’au moins un ester (b) en C1-C8d’un composé dérivé d’un acide choisi parmi l’acide acrylique, l’acide méthacrylique, l’acide maléique, l’acide itaconique et l’acide crotonique ; et
* au moins un matériau E choisi parmi des fibres métalliques, des particules métalliques, des fibres de carbone graphite, des particules de carbone graphite, des particules de silicium et leurs combinaisons.
De manière essentielle pour l’invention, la préparation du polymère P est réalisée au moyen des monomères a et b.
De manière préférée selon l’invention, le monomère anionique (a) peut être choisi parmi l’acide acrylique, l’acide méthacrylique et leurs combinaisons, de préférence le monomère anionique (a) est l’acide acrylique. Également de manière préférée selon l’invention, le monomère (a) peut être combiné à au moins un autre monomère anionique, différent du monomère (a), et choisi parmi acide acrylique, acide méthacrylique, un sel d’acide acrylique, un sel d’acide méthacrylique, acide maléique, un sel d’acide maléique, acide itaconique, un sel d’acide itaconique, acide crotonique, un sel d’acide crotonique, un oligomère d’acide acrylique et leurs combinaisons.
De manière préférée selon l’invention, l’ester (b) est un ester en C1-C7ou un ester en C1-C6ou bien un ester en C1-C4, de préférence un ester en C1-C3. De manière plus préférée selon l’invention, l’ester (b) est un ester d’acide acrylique ou un ester d’acide méthacrylique, de préférence un ester d’acide acrylique.
Également de manière préférée selon l’invention, l’ester (b) est choisi parmi acrylate de méthyle, acrylate d’éthyle, acrylate de propyle, acrylate de butyle, acrylate d’éthylhexyle, méthacrylate de méthyle, méthacrylate d’éthyle, méthacrylate de propyle, méthacrylate de butyle, méthacrylate d’éthylhexyle et leurs combinaisons. Plus préférentiellement, l’ester (b) est choisi parmi acrylate d’éthyle, acrylate de méthyle, acrylate de butyle, méthacrylate de méthyle et leurs combinaisons.
Généralement, l’ester (b) n’est pas un ester alicyclique en C1-C8.
De manière avantageuse selon l’invention, une unique réaction de polymérisation est mise en jeu.
De manière préférée selon l’invention, la réaction de polymérisation peut également mettre en œuvre au moins un monomère (c) réticulant ou au moins un monomère (c) comprenant au moins deux insaturations oléfiniques. De manière plus préférée, le monomère (c) est choisi parmi monomères aromatiques polyvinyliques (par exemple divinylbenzène, et diallyle phthalate) ; éthers polyalcényliques (par exemple triallyl pentaérythritol, diallyl pentaérythritol, diallyl saccharose, octaallyl sucrose, triméthylolpropane diallyl ether); esters polyinsaturés de polyalcools ou esters polyinsaturés de polyacides (par exemple triméthylolpropane tri(méth)acrylate, triméthylolpropane, di(méth)acrylates de polyéthylèneglycol) ; esters diacryliques, esters diméthacryliques dérivés de polyols notamment choisis parmi pentaérythritol, sorbitol, saccharose; naphtalène divinyle, trivinylbenzène, 1,2,4-trivinylcyclohexane, triallyl pentaérythritol, pentaérythritol diallylique, saccharose diallylique, éther diallylique de triméthylolpropane, di(méth)acrylate de 1,6-hexanediol, allyl(méth)acrylate, diallyle itaconate, diallyle fumarate, diallyle maléate, diméthacrylate de butanediol, di(méth)acrylate d’éthylène, poly(éthylène glycol) di(méth)acrylate, triméthylolpropane tri(méth)acrylate, méthylènebis(méth)acrylamide, triallylcyanurates, phtalate de diallyle, divinylbenzène ; diallyle phtalate (DAP); diméthacrylate d’éthylène glycol (EGDMA); méthylène bis acrylamide (MBA); divinylbenzène (DVB); bicyclopentenyloxyethyl-methacrylate (FRA) ; triméthylol propane triallyl ether (APE) et leurs combinaisons. Plus préférentiellement selon l’invention, le monomère (c) peut être choisi parmi diallyl phthalate (DAP); diméthacrylate d’éthylène glycol (EGDMA), trimethylolpropane diacrylate, trimethylolpropane diméthacrylate et leurs combinaisons.
De préférence, moins de 5 % en poids, de préférence de 0,01 à 4 % en poids, en particulier de 0,02 à 4 % en poids ou de 0,02 à 2 % en poids, notamment de 0,02 à 1 % en poids, de monomère (c) peut être mis en œuvre par rapport à la quantité en poids totale de monomères.
Également de manière préférée selon l’invention, la réaction de polymérisation peut mettre en œuvre au moins un monomère (d) hydrophobe différent du composé (c). De préférence, le monomère (d) est un composé de formule (I) :
[Chem I]
R1-(OE)m-(OP)p-R2
(I)
dans laquelle :
- m et p, identiques ou différents, représentent indépendamment 0 ou un nombre entier ou décimal inférieur à 150, m ou p est différent de 0,
- OE représente indépendamment un groupement CH2CH2O,
- OP représente indépendamment un groupement choisi parmi CH(CH3)CH2O et CH2CH(CH3)O,
- R1représente indépendamment un groupement comprenant au moins une insaturation oléfinique polymérisable, de préférence un groupement acrylate ou un groupement méthacrylate et
- R2représente indépendamment un groupement C6-C40-alkyl, linéaire ou ramifié, un groupement phényl, un groupement polyphényl, de préférence un groupement C10-C30-alkyl, linéaire ou ramifié, plus préférentiellement un groupement C12-C22-alkyl, linéaire ou ramifié, ou un groupement comprenant 2 à 5 phényls ou un groupement tristyrylphényl ou un groupement pentastyrylcumylphényl. Également de préférence, moins de 20 % en poids, de préférence de 0,05 à 20 % en poids, en particulier de 0,1 à 10 % en poids, de monomère (d) peut être mis en œuvre par rapport à la quantité en poids totale de monomères.
[Chem I]
R1-(OE)m-(OP)p-R2
(I)
dans laquelle :
- m et p, identiques ou différents, représentent indépendamment 0 ou un nombre entier ou décimal inférieur à 150, m ou p est différent de 0,
- OE représente indépendamment un groupement CH2CH2O,
- OP représente indépendamment un groupement choisi parmi CH(CH3)CH2O et CH2CH(CH3)O,
- R1représente indépendamment un groupement comprenant au moins une insaturation oléfinique polymérisable, de préférence un groupement acrylate ou un groupement méthacrylate et
- R2représente indépendamment un groupement C6-C40-alkyl, linéaire ou ramifié, un groupement phényl, un groupement polyphényl, de préférence un groupement C10-C30-alkyl, linéaire ou ramifié, plus préférentiellement un groupement C12-C22-alkyl, linéaire ou ramifié, ou un groupement comprenant 2 à 5 phényls ou un groupement tristyrylphényl ou un groupement pentastyrylcumylphényl. Également de préférence, moins de 20 % en poids, de préférence de 0,05 à 20 % en poids, en particulier de 0,1 à 10 % en poids, de monomère (d) peut être mis en œuvre par rapport à la quantité en poids totale de monomères.
Également de manière préférée selon l’invention, la réaction de polymérisation peut mettre en œuvre au moins un composé (e) choisi parmi hydroxyéthyl-acrylate phosphaté, hydroxypropyl-acrylate phosphaté, hydroxyéthylhexyl-acrylate phosphaté, hydroxyéthyl-méthacrylate phosphaté, hydroxypropyl-méthacrylate phosphaté, hydroxyéthylhexyl-méthacrylate phosphaté, leurs sels et leurs combinaisons.
Également de préférence, moins de 20 % en poids, de préférence de 0,2 à 20 % en poids, en particulier de 0,5 à 10 % en poids, de monomère (e) peut être mis en œuvre par rapport à la quantité en poids totale de monomères.
Également de manière préférée selon l’invention, la réaction de polymérisation peut mettre en œuvre au moins un composé (f) choisi parmi hydroxyéthyl-acrylate, hydroxypropyl-acrylate, hydroxyéthylhexyl-acrylate, hydroxyéthyl-méthacrylate, hydroxypropyl-méthacrylate, hydroxyéthylhexyl-méthacrylate.
Également de préférence, moins de 20 % en poids, de préférence de 0,2 à 20 % en poids, en particulier de 0,5 à 10 % en poids, de monomère (f) peut être mis en œuvre par rapport à la quantité en poids totale de monomères.
De manière également préférée selon l’invention, le polymère P est préparé au moyen d’une combinaison de monomères a et b, d’une combinaison de monomères a, b et c, d’une combinaison de monomères a, b et d, d’une combinaison de monomères a, b et e, d’une combinaison de monomères a, b et f, d’une combinaison de monomères a, b, c et d,
d’une combinaison de monomères a, b, c et e, d’une combinaison de monomères a, b, c et f,
d’une combinaison de monomères a, b, c, d et e, d’une combinaison de monomères a, b, c, d et f, d’une combinaison de monomères a, b, d et e, d’une combinaison de monomères a, b, d et f, d’une combinaison de monomères a, b, e et f, d’une combinaison de monomères a, b, c, d, e et f. De manière plus préférée selon l’invention, le polymère P est préparé au moyen d’une combinaison des seuls monomères a et b.
Lors de la préparation du polymère P de l’invention, les monomères a et b sont donc essentiels. Les monomères c, d, e et f peuvent donc être mis en œuvre de manière optionnelle. En l’absence de ces monomère c, d, e et f, le polymère P est préparé à partir des seuls monomères a et b.
Par ailleurs, la préparation du polymère P peut exclure certains monomères. Le polymère P est notamment préparé en l’absence de monomère organosoufré, tels que monomère sulfoné ou monomère sulfaté. Dans ce cas, les monomères organosoufrés particuliers qui ne sont pas utilisés sont choisis parmi acide 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonique (AMPS), acide allyl-sulfonique, alkylenesulfonates, alkylenearylsulfonates notamment le styrène-sulfonate, vinyl-sulfonate, methallyl-sulfonate, allyl-sulfonate, methallyl-sulfate, allyl-sulfate, 2-sulfoethyl méthacrylate , acide 3-allyloxy-2-hydroxy-1-propanesulfonique, 3 sulfopropyl méthacrylate, leurs sels et leurs combinaisons.
D’autres monomères peuvent être exclus de la préparation du polymère P, en particulier un monomère (meth)acrylamide, un monomère (acrylo)nitrile, un monomère fluoré, un monomère acétate, un monomère imide.
Lors de la préparation du polymère P, les proportions de monomères a et b peuvent varier largement. De manière préférée selon l’invention, la réaction de polymérisation met en œuvre :
- de 20 à 95 % en poids, de préférence de 30 à 70 % en poids, de monomère (a) ou
- de 5 à 80 % en poids, de préférence de 30 à 70 % en poids, de monomère (b), ou
par rapport à la quantité en poids totale de monomères (a) et (b).
- de 20 à 95 % en poids, de préférence de 30 à 70 % en poids, de monomère (a) ou
- de 5 à 80 % en poids, de préférence de 30 à 70 % en poids, de monomère (b), ou
par rapport à la quantité en poids totale de monomères (a) et (b).
Selon l’invention, le copolymère P est hydrosoluble. De préférence selon l’invention, le copolymère P hydrosoluble est préparé au moyen d’une quantité en poids majoritaire de monomères anioniques. De manière avantageuse, le polymère P est soluble dans l’eau en toute quantité à température ambiante, de préférence à différentes valeurs de pH, en particulier à des valeurs de pH allant de 2 à 12.
De manière préférée selon l’invention le pH du polymère P est inférieur à 12 ou inférieur à 11 ou bien va de 2 à 12 ou de 5 à 11. Également de manière préférée selon l’invention le pKa du polymère P est inférieur à 5 ou bien va de 1,5 à 5.
De manière préférée selon l’invention, la réaction de polymérisation est réalisée à une température supérieure à 30°C et inférieure à 130°C, de préférence inférieure à 100°C ou inférieure à 90°C ou bien inférieure à 80°C ou à 75°C. De préférence lors de la réaction de polymérisation pour préparer le polymère P, le composé initiateur est choisi parmi un peroxyde (par exemple peroxyde d’hydrogène), un hydroperoxyde (par exemple hydroperoxyde detert-butyl), un persulfate (par exemple persulfate de sodium, persulfate d’ammonium, persulfate de potassium), leurs combinaisons et leurs associations avec un sel métallique, de préférence un sel métallique choisi parmi un sel de fer (par exemple Fe II ou Fe III), un sel de cuivre (par exemple Cu I ou Cu II) et leurs combinaisons.
De manière préférée selon l’invention, le polymère P est préparé dans un solvant polaire, notamment un solvant choisi parmi eau, alcool, toluène, une cétone, un solvant chloré, un ester et leurs combinaisons.
Également de manière préférée selon l’invention, le polymère P peut être préparé en présence d’un agent de transfert de chaîne, de préférence en présence d’un composé choisi parmi alcool isopropylique, mercaptan, dodécyl-mercaptan, acide phosphoreux, phosphite, acide hypophosphoreux, hypophosphite, bisulfite, un iodure d’alkyle, un bromure d’alkyle et leurs combinaisons.
Selon l’invention, le polymère P peut être non-neutralisé ou bien il peut être partiellement neutralisé ou totalement neutralisé. De préférence, le polymère P est non-neutralisé ou partiellement neutralisé. Selon l’invention, les groupements carboxyliques du polymère P peuvent être partiellement neutralisés à un taux de 70 à 97 % molaire, de préférence à un taux de 90 à 95 % molaire. Le polymère P peut être partiellement ou totalement neutralisé au moyen d’au moins un ion monovalent ou d’au moins un ion divalent. Selon l’invention, le polymère P peut être partiellement ou totalement neutralisé au moyen d’une combinaison d’au moins un ion monovalent et d’au moins un ion divalent. Selon l’invention, la neutralisation totale ou partielle du polymère P peut alors être réalisée en des proportions molaires relatives variables des ions monovalent et divalent. De manière préférée selon l’invention les proportions molaires ion monovalent/ion divalent sont comprises entre 90/10 et 10/90 ou entre 80/20 et 20/80, de préférence entre 80/20 et 60/40, par exemple 70/30 ou 50/50.
Selon l’invention, la neutralisation peut être réalisée au moyen d’une amine primaire, d’une amine secondaire ou d’un ion monovalent choisi parmi K+, Na+, Li+, NH4 +ou une amine et leurs combinaisons. L’ion monovalent préféré est choisi parmi Na+et Li+. Le polymère P selon l’invention peut néanmoins être neutralisé en l’absence d’ion Li+. Selon l’invention, la neutralisation peut également être réalisée au moyen d’un ion divalent choisi parmi Ca2+, Mg2+et leurs combinaisons. L’ion divalent préféré est Ca2+.
Selon l’invention, le polymère P peut être neutralisé au moyen d’au moins un composé choisi parmi NaOH, KOH, LiOH, dérivés ammonium, ammoniac, ammoniaque, amine primaire, amine secondaire, CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2et leurs combinaisons. La neutralisation du polymère P au moyen d’ammoniaque s’avère particulièrement avantageuse lors de la mise en œuvre de la composition T à un pH inférieur à 7, de préférence à un pH inférieur à 5. Selon l’invention, le polymère P peut être neutralisé totalement ou partiellement au moyen d’une base aminée, par exemple une base choisie parmi ethylene diamine, 1,3-propanediamine, 1,4-butanediamine, 1,5-pentanediamine, 1,6-hexanediamine, α,α′-diaminoxylene, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, triéthanolamine, aminométhylpropanol ou 2-amino-2-méthyl-propanol (AMP) et leurs combinaisons.
De manière préférée, le polymère P a une masse moléculaire moyenne en poids Mw (mesurée par CES) inférieure à 1 000 000 g/mol, de préférence inférieure à 800 000 g/mol, inférieure à 500 000 g/mol, plus préférentiellement inférieure à 350 000 g/mol.. Le polymère P a généralement une masse moléculaire moyenne en poids Mw (mesurée par CES) supérieure à 2 000 g/mol ou supérieure à 5 000 g/mol, de préférence supérieure à 20 000 g/mol.
De manière générale, le polymère P a un indice de polymolécularité Ip (mesuré par CES) inférieur à 4 ou allant de 1,2 à 4 ou de 1,5 à 4 ; de 1,2 à 3 ou de 1,5 à 3 ; de 1,2 à 2,5 ou bien encore de 1,5 à 2,5.
Selon l’invention, le poids ou masse moléculaire du polymère P est déterminé par Chromatographie d'Exclusion Stérique (CES) ou en anglaisSize Exclusion Chromatography(SEC). Une prise d'essai de la solution de polymère correspondant à 90 mg de matière sèche est introduite dans un flacon de 10 mL. On ajoute de la phase mobile, additionnée de 0,04 % de diméthylformamide (DMF), jusqu'à une masse totale de 10 g. La composition de cette phase mobile est la suivante : NaHCO3: 0,05 mol/L, NaNO3: 0,1 mol/L, triéthanolamine : 0,02 mol/L, NaN30,03 % massique. La chaîne de CES est composée d'une pompe isocratique de type Waters 510, dont le débit est réglé à 0,8 mL/min, d'un passeur d'échantillons Waters 717+, d'un four contenant une précolonne de type Guard Column Ultrahydrogel Waters de 6 cm de longueur et 40 mm de diamètre intérieur, suivie d’une colonne linéaire de type Ultrahydrogel Waters de 30 cm de longueur et de 7,8 mm de diamètre intérieur. La détection est assurée au moyen d’un réfractomètre différentiel de type RI Waters 410. Le four est porté à la température de 60°C et le réfractomètre est porté à la température de 45°C. Le dispositif de CES est étalonné avec une série d'étalons polyacrylate de sodium fournis par Polymer Standards Service de poids moléculaire au sommet de pic compris entre 1 000 g/mol et 1.106 g/mol et d’indice de polymolécularité compris entre 1,4 et 1,7. La courbe d'étalonnage est de type linéaire et prend en compte la correction obtenue grâce au marqueur de débit : le diméthylformamide (DMF). L'acquisition et le traitement du chromatogramme sont effectués par l'utilisation du logiciel « PSS WinGPC Scientific » v 4.02. Le chromatogramme obtenu est intégré dans la zone correspondant à des poids moléculaires supérieurs à 250 g/mol.
Généralement selon l’invention, l’agent liant L comprend le polymère P sous la forme de particules.
De manière préférée selon l’invention, l’agent liant L comprend de 5 % en poids à 100 %, de préférence de 10 % en poids à 70 %, en poids de polymère P.
De manière essentielle selon l’invention, la composition aqueuse T comprend au moins un agent liant L. De manière avantageuse, la composition T selon l’invention peut ne comprendre aucun autre agent liant. Également de manière avantageuse, la composition T selon l’invention peut également comprendre au moins un autre agent liant, différent de l’agent T, de préférence un autre agent liant choisi parmi un polymère (meth)acrylique, un polymère peigne, carboxyméthylcellulose, hydroxyéthylcellulose, hydroxyméthylcellulose, alginate, polymère styrène-butadiène, poly(allylamine, HCl), amilopectine et leurs combinaisons, ou comprenant également du polyéthylène, un liant fluoré, par exemple un composé choisi parmi fluorure de polyvinylidène (PVDF), poly(vinyl-pyrrolidone), polytétrafluoroéthylène (PTFE), chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), polyéthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), éthylène-propylène fluoré (FEP), perfluoro-alcoxy (PFA), polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), fluoracrylates, fluorosilicones et leurs combinaisons.
Également de manière avantageuse, la composition T selon l’invention peut également comprendre au moins un acide organique ou un acide minéral, de préférence un acide choisi parmi acide sulfurique, acide phosphorique, acide phosphoreux, acide hypophosphoreux, acide acétique et leurs combinaisons.
De manière essentielle selon l’invention, la composition aqueuse T comprend au moins un matériau E. De manière préférée selon l’invention, la composition T comprend un matériau E choisi parmi silicium, lithium, carbone graphite ou graphitique, carbone hexagonal, carbone rhomboédrique et leurs combinaisons, éventuellement dopé par au moins un élément, de préférence choisi parmi lithium, germanium, silicium et leurs combinaisons. Le matériau E préféré est choisi parmi carbone graphite, silicium et leurs combinaisons.
En particulier, le matériau E peut être choisi parmi un composé carboné conducteur, du noir de four, du noir d’acétylène, du noir de carbone de Ketjen, des nanotubes de carbone (NTC), du graphite synthétique, du graphite naturel, du carbone dur, du charbon actif, du noir de carbone, du graphène, du carbone mésoporeux, du silicium amorphe, du silicium semi-cristallin, des oxydes de silicium, des nanofils de silicium, de l’étain, des oxydes d’étain, du germanium, du titanate de lithium, des matériaux utilisables comme anode dans une batterie lithium-ion et leurs combinaisons.
Selon l’invention, le matériau E peut inclure des matériaux conducteurs ou des matériaux capables d’intercaler ou d’accepter des ions lithium.
De manière avantageuse selon l’invention, la composition T peut également comprendre d’autres ingrédients. Notamment, la composition T selon l’invention peut également comprendre du polyéthylène, un composé liant fluoré, par exemple un composé choisi parmi fluorure de polyvinylidène (PVDF), poly(vinyl-pyrrolidone), polytétrafluoroéthylène (PTFE), chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), polyéthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), éthylène-propylène fluoré (FEP), perfluoro-alcoxy (PFA), polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), fluoracrylates, fluorosilicones et leurs combinaisons.
Au sein de la composition T, les proportions des différents ingrédients peuvent varier. De manière préférée, la composition T selon l’invention comprend :
* de 0,5 % à 15 % en poids sec d’agent liant, notamment d’agent liant L, et
* de 85 % à 99,5 % en poids sec de matériau E,
* de 0,5 % à 15 % en poids sec d’agent liant, notamment d’agent liant L, et
* de 85 % à 99,5 % en poids sec de matériau E,
par rapport à la quantité totale en poids sec d’agent liant et de matériau.
L’invention fournit également une méthode de préparation d’une composition T. La méthode de préparation comprend :
- la préparation d’un agent liant L selon l’invention,
- l’addition d’au moins un matériau E choisi parmi des fibres métalliques, des particules métalliques, des fibres de carbone graphite, des particules de carbone graphite et leurs combinaisons, de préférence le matériau E est choisi parmi silicium, lithium, carbone graphite ou graphitique, carbone hexagonal, carbone rhomboédrique et leurs combinaisons, éventuellement dopé par au moins un élément, de préférence choisi parmi lithium germanium et leurs combinaisons.
- l’addition d’au moins un matériau E choisi parmi des fibres métalliques, des particules métalliques, des fibres de carbone graphite, des particules de carbone graphite et leurs combinaisons, de préférence le matériau E est choisi parmi silicium, lithium, carbone graphite ou graphitique, carbone hexagonal, carbone rhomboédrique et leurs combinaisons, éventuellement dopé par au moins un élément, de préférence choisi parmi lithium germanium et leurs combinaisons.
Également, l’invention fournit une méthode de fabrication d’une anode au moyen d’une composition T selon l’invention. La méthode de fabrication d’une anode comprend :
- l'application sur un substrat d’au moins une composition T selon l’invention,
- le séchage puis le calandrage du substrat enduit.
- l'application sur un substrat d’au moins une composition T selon l’invention,
- le séchage puis le calandrage du substrat enduit.
De manière avantageuse selon l’invention, le substrat ou collecteur de courant peut être sous la forme structurelle d’une plaque, d’un film, d’un maillage, d’une mousse, d’une feuille, d’une tige ou d’une autre forme n’obérant pas significativement sa capacité à collecter le courant électrique. Généralement, le substrat est sous la forme d’une feuille, de préférence une feuille de cuivre métallique (Cu0) ou une feuille de nickel métallique (Ni0).
De manière préférée, l’invention fournit une méthode de fabrication selon l’invention pour laquelle l’application est réalisée à un pH inférieur à 7 ou à un pH allant de 4 à 6,5. Également de manière préférée, l’invention fournit une méthode de fabrication selon l’invention pour laquelle l’application de la composition T sur le substrat est réalisée sur une surface métallique à une épaisseur après séchage et calandrage qui est inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 100 µm ou inférieure à 50 µm. Généralement selon l’invention, l’épaisseur de composition T après application sur le substrat, séchage et calandrage est supérieure à 5 µm. Selon l’invention, l’épaisseur de composition T après application sur le substrat, séchage et calandrage est mesurée au moyen d’une jauge d’épaisseur de revêtement de 1 µm à 1 000 µm, notamment de 20 µm à 30 µm. De manière particulièrement préférée, l’invention fournit une méthode de fabrication pour laquelle l’application de la composition T sur le substrat est homogène. Selon l’invention, l’application de la composition est homogène lorsque les particules de matériau E sont réparties régulièrement dans la couche. Selon l’invention, l’homogénéité est mesurée par contrôle visuel par observation directe à l’œil nu. Selon l’invention, l’application est homogène lorsqu’aucun agrégat n’est visible à la surface de la couche observée de face à la lumière du jour.
De préférence lors de la fabrication d’une anode selon l’invention, au moins une des étapes d’application est mise en œuvre à un pH inférieur à 7, de préférence à un pH inférieur 5.
La composition T selon l’invention est appliquée par une méthode connue en tant que telle. Elle peut être appliquée par pulvérisation, par laminage, par couchage, par héliogravure ou par tout autre moyen permettant d’appliquer une formulation aqueuse sur une surface.
L’invention permet de fabriquer une anode au moyen de la composition T selon l’invention. Ainsi, l’invention fournit une anode préparée selon la méthode de fabrication selon l’invention.
Selon l’invention, les caractéristiques particulières, avantageuses ou préférées de la composition T selon l’invention définissent des méthodes de préparation, des méthodes de fabrication et des anodes selon l’invention qui sont également particuliers, avantageux ou préférés.
Les exemples qui suivent permettent d’illustrer les différents aspects de l’invention.
Préparation et caractérisation
d’un agent liant L comprenant le
polymère
P
1
selon l’invention :
Dans un réacteur en verre de 1 L muni d’une agitation mécanique et d’un chauffage par bain d’huile, on introduit 90g d’acide acrylique (monomère a), 10g d’acrylate d’éthyle (monomère b) et 830g d’eau désionisée. On chauffe à 70°C. Puis, on coule en une seule fois une solution comprenant 0,50g de persulfate d’ammonium dans 10g d’eau désionisée. On maintient la température à 85°C durant 60 min. À nouveau, on coule en une seule fois une solution comprenant 0,20g de persulfate d’ammonium dans 10g d’eau désionisée. On maintient la température à 85°C durant 60 min. Après refroidissement à température ambiante, le pH est ajusté à 2,5 par addition d’une solution aqueuse de soude à 50% en poids. On obtient un agent liant L hydrosoluble selon l’invention comprenant le copolymère P1 de masse moléculaire moyenne en poids, Mw mesurée par CES, de 165 000g/mole en solution aqueuse ayant une concentration de 11,2% en poids.
Préparation et caractérisation
d’un agent liant L comprenant le
polymère
P2 selon l’invention :
Dans un réacteur en verre de 1 L muni d’une agitation mécanique et d’un chauffage par bain d’huile, on introduit 90g d’acide acrylique (monomère a), 10g d’acrylate d’éthyle (monomère b) et 820g d’eau désionisée. On chauffe à 70°C. Puis, on coule en une seule fois une solution comprenant 0,35g de persulfate d’ammonium dans 10g d’eau désionisée. On maintient la température à 85°C durant 60 min. À nouveau, on coule en une seule fois une solution comprenant 0,35g de persulfate d’ammonium dans 20g d’eau désionisée. On maintient la température à 85°C durant 60 min. Après refroidissement à température ambiante, le pH est ajusté à 5,7 par addition de 39,4g de LiOH.H2O dans 40g d’eau désionisée
On obtient un agent liant L hydrosoluble selon l’invention comprenant le copolymère P2 de masse moléculaire moyenne en poids, Mw mesurée par CES, de 256 000 000g/mole en solution aqueuse ayant une concentration de 10,4% en poids.
Préparation de compositions aqueuses T d’anode selon l’invention
Avec l’agent liant L comprenant le polymère P1 (11,2% en poids), sous agitation durant 2 heures à 3 000 tour/min au moyen d’un agitateur équipé d’une roue de 40 mm, on prépare une composition aqueuse comprenant 5 % en poids sec de polymère P1 et 5% en poids sec de noir de carbone (Black C65 « Imerys »).
Puis, dans un bécher en verre, sous agitation durant 1 heure à 4 500 tour/min au moyen d’un agitateur équipé d’une roue de 25 mm, on introduit 0,32g de cette composition aqueuse de noir de carbone et de polymère P1, 1,2g de particules de silicium (SI-100 30-50 nm, « Get Nano Materials ») et de l’eau désionisée. On ajoute 6,32g d’un mélange de graphites (GHDR 92,5% en poids, SFG15L 5% en poids, KS6L 2,5% en poids, « Imerys ») et de l’eau désionisée. On maintien l’agitation durant 1 heure. On ajoute alors 0,4 g de latex liant styrène-butadiène (latex SNR BM-451B « Zeon », 40% en poids) et on agite durant 30 min à 500 tour/min. Les quantités d’eau ajoutées sont définies pour obtenir une composition aqueuse d’anode T1 selon l’invention dont la concentration finale en poids sec est de 44,6%.
De manière analogue, on prépare la composition aqueuse d’anode T2 selon l’invention dont la concentration finale est également de 44,6% en poids sec. Elle comprend l’agent liant L selon l’invention comprenant le copolymère P2 (10,4% en poids).
Fabrication et caractérisation d’anodes
selon l’invention
Une feuille de cuivre de 100 µm d’épaisseur est enduite d’une épaisseur de 20 µm de composition T1 selon l’invention au moyen d’une barre d’application manuelle. On découpe des disques de 15 mm de diamètre au moyen d’une découpeuse de précision. Les disques enduits sont calandrés à 0,6 t/cm2 au moyen d’une presse. Puis, on sèche les disques dans une étuve en augmentant progressivement la température jusqu’à 110ºC sous vide pendant 18 heures.
Après refroidissement à température ambiante, on évalue l’homogénéité de la couche par contrôle visuel : aucun agrégat ni aucune hétérogénéité de surface ne sont visibles à la surface de la couche observée de face à la lumière du jour.
Puis, on mesure la densité de l’anode obtenue par pesage au moyen d’une balance puis on calcule sa porosité.
De manière analogue, on prépare et on caractérise une anode au moyen de la composition aqueuse d’anode T2. Les résultats sont présentés dans le tableau 1.
| Polymère | Densité (g/cm3) | Porosité (% vol.) |
| P1 | 1,8 | 18 |
| P2 | 1,8 | 22 |
Les compositions aqueuses d’anode comprenant les agents liants selon l’invention permettent donc de préparer des anodes qui sont stables et qui possèdent une bonne adhérence des matériaux actifs sur la couche de cuivre. Les compositions d’anode selon l’invention permettent de préparer des anodes dont la couche est homogène. Ces anodes peuvent donc être aisément utilisées pour la fabrication de piles rechargeables ou batteries secondaires.
Fabrication et caractérisation de
demi-
piles comprenant des anodes selon l’invention
Dans une boite à gants (« MBraun LabStar ») maintenue sous atmosphère inerte (Ar, O2et H2O < 0.5 ppm), on assemble l’électrolyte (« Solvionic » 1M, LiPF6dans un mélange ethylene carbonate-ethyl méthyl carbonate avec 2% de vinyl carbonate et 10% de fluoro éthylène carbonate), une anode selon l’invention, un disque de lithium prédécoupé (15,6 mm de diamètre et 0,25 mm d’épaisseur) puis un disque séparateur (« Whatman » GF/C 1822-849, 17 mm de diamètre, 0,26 mm d’épaisseur et 1,2 µm de taille de pores) ainsi qu’un disque séparateur (« Celgard » 2325 tri-couche PE/PP/PE) sur l’électrode de travail.
En chambre thermostatée à 25°C, on fait subir des cycles charge-décharge à la demi-pile incluant l’anode selon l’invention préparée avec la composition aqueuse d’anode T2a:
- 2 cycles: décharge C/7 jusqu’à 0,005 V avec coupure de C/100 puis charge de C/7 avec coupure de 1,0 V,
- 3 cycles: décharge C/5 jusqu’à 0,005 V avec coupure de C/50 puis charge de C/5 avec coupure de 1,0 V,
- 102 cycles: décharge 1C jusqu’à 0,005 V avec coupure de C/40 puis charge de 1C avec coupure de 1,0 V.
De manière analogue, on prépare et on caractérise une demi-pile incluant l’anode selon l’invention préparée avec la composition aqueuse d’anode T2. Pour chaque demi-pile, on détermine charge (loading), capacité, efficacité coulombienne initiale (ICE), efficacité coulombienne après 10 cycles puis après 20 cycles (CE10, CE20), rendement de cycle coulombien (cycling Coulombic efficiency- CCE1), rétention de capacité par rapport au premier cycle après 10 cycles puis après 20 cycles (CR10, CR20). Les résultats sont présentés dans le tableau 2.
| Polymère | Charge (mAh/cm2) |
Capacité (mAh/g) |
ICE (%) | CE10 cycles (%) | CE20 cycles (%) | CCE1 (%) |
CR10 cycles (%) | CR20 cycles (%) |
| P1 | 2,9 | 734 | 86,9 | 99,12 | 99,27 | 74,1 | 99,65 | 99,69 |
| P2 | 3,1 | 760 | 88,6 | 98,85 | 99,03 | 76 | 99,75 | 99,81 |
Les agents liants selon l’invention permettent de préparer des compositions aqueuses d’anode très efficaces pour obtenir des anodes et des piles à haute concentration en silicium et dont les propriétés électrochimiques sont particulièrement intéressantes.
Claims (14)
- Composition aqueuse T d’anode comprenant :
* au moins un agent liant L comprenant au moins un polymère hydrosoluble P, préparé en présence d’au moins un composé initiateur, par une réaction de polymérisation- d’au moins un monomère anionique (a) choisi parmi l’acide acrylique, un sel d’acide acrylique, l’acide méthacrylique, un sel d’acide méthacrylique et leurs combinaisons ;
- d’au moins un ester (b) en C1-C8d’un composé dérivé d’un acide choisi parmi l’acide acrylique, l’acide méthacrylique, l’acide maléique, l’acide itaconique et l’acide crotonique ; et
- Composition T selon la revendication 1 pour laquelle :
* le monomère anionique (a) est choisi parmi l’acide acrylique, l’acide méthacrylique et leurs combinaisons, de préférence le monomère anionique (a) est l’acide acrylique, ou
* le monomère (a) est combiné à au moins un autre monomère anionique, différent du monomère (a), et choisi parmi acide acrylique, acide méthacrylique, un sel d’acide acrylique, un sel d’acide méthacrylique, acide maléique, un sel d’acide maléique, acide itaconique, un sel d’acide itaconique, acide crotonique, un sel d’acide crotonique, un oligomère d’acide acrylique et leurs combinaisons. - Composition T selon l’une des revendications 1 ou 2 pour laquelle :
* l’ester (b) n’est pas un ester alicyclique en C1-C8ou l’ester (b) est un ester en C1-C7ou un ester en C1-C6ou bien un ester en C1-C4, de préférence un ester en C1-C3, ou
* l’ester (b) est un ester d’acide acrylique ou un ester d’acide méthacrylique, de préférence un ester d’acide acrylique, ou
* l’ester (b) est choisi parmi acrylate de méthyle, acrylate d’éthyle, acrylate de propyle, acrylate de butyle, acrylate d’éthylhexyle, méthacrylate de méthyle, méthacrylate d’éthyle, méthacrylate de propyle, méthacrylate de butyle, méthacrylate d’éthylhexyle et leurs combinaisons, plus préférentiellement l’ester (b) est choisi parmi acrylate d’éthyle, acrylate de méthyle, acrylate de butyle, méthacrylate de méthyle et leurs combinaisons. - Composition T selon l’une des revendications 1 à 3 pour laquelle une unique réaction de polymérisation est mise en jeu ou pour laquelle la réaction de polymérisation met également en œuvre :
* au moins un monomère (c) réticulant ou au moins un monomère (c) comprenant au moins deux insaturations oléfiniques, de préférence moins de 5 % en poids, de préférence de 0,01 à 4 % en poids, en particulier de 0,02 à 4 % en poids ou de 0,02 à 2 % en poids, notamment de 0,02 à 1 % en poids, de monomère (c) par rapport à la quantité en poids totale de monomères, ou
* au moins un monomère (d) hydrophobe différent du composé (c), de préférence choisi parmi un composé de formule (I) :
[Chem I]
R1-(OE)m-(OP)p-R2
(I)
dans laquelle :
- m et p, identiques ou différents, représentent indépendamment 0 ou un nombre entier ou décimal inférieur à 150, m ou p est différent de 0,
- OE représente indépendamment un groupement CH2CH2O,
- OP représente indépendamment un groupement choisi parmi CH(CH3)CH2O et CH2CH(CH3)O,
- R1représente indépendamment un groupement comprenant au moins une insaturation oléfinique polymérisable, de préférence un groupement acrylate ou un groupement méthacrylate et
- R2représente indépendamment un groupement C6-C40-alkyl, linéaire ou ramifié, un groupement phényl, un groupement polyphényl, de préférence un groupement C10-C30-alkyl, linéaire ou ramifié, plus préférentiellement un groupement C12-C22-alkyl, linéaire ou ramifié, ou un groupement comprenant 2 à 5 phényls ou un groupement tristyrylphényl ou un groupement pentastyrylcumylphényl, de préférence moins de 20 % en poids, de préférence de 0,05 à 20 % en poids, en particulier de 0,1 à 10 % en poids, de monomère (d) par rapport à la quantité en poids totale de monomères, ou
* au moins un composé (e) choisi parmi hydroxyéthyl-acrylate phosphaté, hydroxypropyl-acrylate phosphaté, hydroxyéthylhexyl-acrylate phosphaté, hydroxyéthyl-méthacrylate phosphaté, hydroxypropyl-méthacrylate phosphaté, hydroxyéthylhexyl-méthacrylate phosphaté, leurs sels et leurs combinaisons, de préférence moins de 20 % en poids, de préférence de 0,2 à 20 % en poids, en particulier de 0,5 à 10 % en poids, de monomère (e) par rapport à la quantité en poids totale de monomères, ou
* au moins un composé (f) choisi parmi hydroxyéthyl-acrylate, hydroxypropyl-acrylate, hydroxyéthylhexyl-acrylate, hydroxyéthyl-méthacrylate, hydroxypropyl-méthacrylate, hydroxyéthylhexyl-méthacrylate, de préférence moins de 20 % en poids, de préférence de 0,2 à 20 % en poids, en particulier de 0,5 à 10 % en poids, de monomère (f) par rapport à la quantité en poids totale de monomères. - Composition T selon l’une des revendications 1 à 4 pour laquelle :
* le polymère P est préparé en présence d’au moins un composé initiateur choisi parmi un peroxyde (par exemple peroxyde d’hydrogène), un hydroperoxyde (par exemple hydroperoxyde detert-butyl), un persulfate (par exemple persulfate de sodium, persulfate d’ammonium, persulfate de potassium), leurs combinaisons et leurs associations avec un sel métallique, de préférence un sel métallique choisi parmi un sel de fer (par exemple Fe II ou Fe III), un sel de cuivre (par exemple Cu I ou Cu II) et leurs combinaisons, ou
* le polymère P est préparé en présence d’un agent de transfert de chaîne, de préférence en présence d’un composé choisi parmi alcool isopropylique, mercaptan, dodécyl-mercaptan, acide phosphoreux, phosphite, acide hypophosphoreux, hypophosphite, bisulfite, un iodure d’alkyle, un bromure d’alkyle et leurs combinaisons, ou
* le pH du polymère P est inférieur à 12 ou inférieur à 11 ou bien va de 2 à 12 ou de 5 à 11, ou
* le pKa du polymère P est inférieur à inférieur à 5ou bien va de 1,5 à5, ou
* le polymère P est non-neutralisé ou le polymère P est totalement ou partiellement neutralisé, de préférence au moyen d’au moins un composé choisi parmi LiOH, NaOH, KOH, dérivés ammonium, ammoniac, ammoniaque, bases aminées, par exemple triéthanolamine, aminométhylpropanol ou 2-amino-2-méthyl-propanol (AMP) et leurs combinaisons. - Composition T selon l’une des revendications 1 à 5 pour laquelle la réaction de polymérisation met en œuvre :
- de 20 à 95 % en poids, de préférence de 30 à 70 % en poids, de monomère (a) ou
- de 5 à 80 % en poids, de préférence de 30 à 70 % en poids, de monomère (b), ou
par rapport à la quantité en poids totale de monomères (a) et (b). - Composition T selon l’une des revendications 1 à 6 pour laquelle :
* le polymère P a une masse moléculaire moyenne en poids Mw, mesurée par CES, inférieure à 1 000 000 g/mol, de préférence inférieure à 900 000 g/mol, inférieure 800 000 g/mol, plus préférentiellement inférieure à 500 000 g/mol ou inférieure à 350 000 g/mol, ou
* le polymère P a une masse moléculaire moyenne en poids Mw, mesurée par CES, supérieure à 2 000 g/mol ou supérieure à 5 000 g/mol, de préférence supérieure à 20 000 g/mol. - Composition T selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant au moins un agent liant L et aucun autre agent liant ou bien comprenant également :
* au moins un autre agent liant, différent de l’agent L, de préférence un autre agent liant choisi parmi un polymère (meth)acrylique, un polymère peigne, carboxyméthylcellulose, hydroxyéthylcellulose, hydroxyméthylcellulose, alginate, polymère styrène-butadiène, poly(allylamine, HCl), amilopectine et leurs combinaisons, ou comprenant également du polyéthylène, un composé liant fluoré, par exemple un composé choisi parmi fluorure de polyvinylidène (PVDF), poly(vinyl-pyrrolidone), polytétrafluoroéthylène (PTFE), chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), polyéthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), éthylène-propylène fluoré (FEP), perfluoro-alcoxy (PFA), polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), fluoracrylates, fluorosilicones et leurs combinaisons, ou bien comprenant également
* au moins un acide organique ou un acide minéral, de préférence un acide choisi parmi acide sulfurique, acide phosphorique, acide phosphoreux, acide hypophosphoreux, acide acétique et leurs combinaisons. - Composition T selon l’une des revendications 1 à 8 pour laquelle :
* le matériau E est choisi parmi silicium, lithium, carbone graphite ou graphitique, carbone hexagonal, carbone rhomboédrique et leurs combinaisons, éventuellement dopé par au moins un élément, de préférence choisi parmi lithium, germanium, silicium et leurs combinaisons. - Composition T selon l’une des revendications 1 à 9 comprenant :
* de 0,5 % à 15 % en poids sec d’agent liant, notamment d’agent liant L, et
* de 85 % à 99,5 % en poids sec de matériau E,
par rapport à la quantité totale en poids d’agent liant et de matériau. - Méthode de préparation d’une composition aqueuse T selon les revendications 1 à 10, comprenant :
- la préparation d’un agent liant L l’une des revendications 1 à 8,
- l’addition d’au moins un matériau E choisi parmi des fibres métalliques, des particules métalliques, des fibres de carbone graphite, des particules de carbone graphite et leurs combinaisons, de préférence le matériau E est choisi parmi silicium, lithium, carbone graphite ou graphitique, carbone hexagonal, carbone rhomboédrique et leurs combinaisons, éventuellement dopé par au moins un élément, de préférence choisi parmi lithium germanium et leurs combinaisons. - Méthode de fabrication d’une anode comprenant :
- l'application sur un substrat d’au moins une composition T selon l’une des revendications 1 à 10,
- le séchage puis le calandrage du substrat enduit. - Méthode de fabrication selon la revendication 12 pour laquelle :
- l’application est réalisée à un pH inférieur à 7 ou à un pH allant de 4 à 6,5, ou
- l’application de la composition T sur le substrat est réalisée à une épaisseur après séchage et calandrage, mesurée au moyen d’une jauge d’épaisseur de revêtement de 1 µm à 1 000 µm, qui est inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 100 µm ou inférieure à 20 µm, ou
- l’application de la composition T sur le substrat est réalisée à une épaisseur après séchage et calandrage, mesurée au moyen d’une jauge d’épaisseur de revêtement de 1 µm à 1 000 µm, qui est supérieure à 5 µm, ou
- l’application de la composition T sur le substrat est homogène. - Anode préparée selon la méthode de fabrication selon l’une des revendications 12 ou 13.
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- 2022-08-03 FR FR2208068A patent/FR3138659A1/fr active Pending
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- 2023-07-10 WO PCT/FR2023/000132 patent/WO2024028544A1/fr unknown
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