Anode en graphite

Matériau de l'anode en graphite

Pourquoi choisir le graphite pour les anodes ?

Le graphite est connu pour être l'un des matériaux d'anode les plus utilisés dans les batteries lithium-ion en raison de la conductivité électronique élevée de ses greffons de surface et de masse, ainsi que de sa stabilité électrochimique tout au long des processus d'intercalation/désintercalation impliquant la (dé)insertion d'ions Li- au cours du cycle. Ceci est important pour les batteries de longue durée car cela signifie que les ions lithium peuvent remplir une structure de graphite sans l'endommager. De plus, les ions lithium peuvent remplir une structure en graphite sans l'endommager, graphite est beaucoup moins lourde et chimiquement inerte que, par exemple, l'acier ou une autre substance. En fait, une anode en graphite est préférée à d'autres électrodes inertes.

L'importance de la conductivité

La raison du choix du graphite pour l'anode est qu'il s'agit d'un bon conducteur ; pendant le processus de charge ou de décharge, les électrons peuvent se déplacer librement dans le graphite. Cela permet de préserver la charge de la batterie et de fournir de l'énergie à toutes les structures qui en dépendent. Il s'agit d'un élément clé, car sans l'étonnante conductivité du graphite, une batterie ne pourrait pas fonctionner.

Le graphite dans les piles au lithium-ion

Les anodes en graphite sont indispensables aux batteries lithium-ion. Lors de la charge, les ions lithium s'intercalent entre les couches de graphite. Lors de la décharge, ils retournent à la cathode où ce mouvement génère un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter vos gadgets. La capacité du graphite à stocker de manière réversible de grandes quantités d'énergie électrique en fait un réservoir indispensable pour stocker et libérer l'électricité dans les batteries Li-ion.

Batterie au lithium-ion et batterie au graphite

La différence la plus importante entre les batteries au graphite et les batteries au lithium-ion réside dans le matériau de l'anode. Contrairement aux batteries batteries lithium-ionCertaines nouvelles technologies utilisent le silicium (au lieu du graphite uniquement) comme matériau d'anode. Entre deux bêtes de somme, le graphite l'emporte en termes de durée de vie, tandis que le silicium l'emporte en termes de densité d'énergie potentielle. Le problème, cependant, est que les anodes en silicium produisent une houle désagréable pendant la charge, ce qui entraîne des dommages structurels mortels sur les batteries. Néanmoins, le graphite est le matériau le plus courant, à cheval sur la performance et la fiabilité.

Processus d'électrolyse de l'anode en graphite

Au cours des processus de charge et de décharge des batteries lithium-ion, une réaction électrochimique se produit dans l'anode en graphite. Au niveau cellulaire de l'anode, la batterie fonctionne par électrolyse, où les ions lithium chargés passent à l'intérieur et sont capturés dans le graphite. Lorsque les ions sont libérés lors de la décharge, ils affluent une nouvelle fois vers la cathode, libérant ainsi de l'énergie. Le processus est également réversible, ce qui vous permet de recharger la batterie un nombre incalculable de fois avant qu'elle n'endommage votre anode en graphite.

Comparaison entre l'anode en graphite et l'anode en silicium

La capacité théorique plus élevée des anodes en silicium (par rapport aux anodes typiques en graphite) a suscité un certain intérêt pour ce matériau. L'utilisation du silicium à la place du graphite est avantageuse car il a une capacité de stockage des ions lithium plus élevée et peut donc augmenter la densité énergétique de la batterie. Mais le silicium présente un inconvénient majeur : il gonfle et rétrécit considérablement au fur et à mesure que la batterie se charge et se décharge. Dans ce cas, l'anode gonfle, ce qui entraîne généralement sa fissuration et sa défaillance. À l'inverse, le graphite peut conserver sa structure pendant de nombreux cycles de charge et de décharge, ce qui le rend plus durable et plus fiable pour une application à long terme. Si les anodes à base de silicium pourraient constituer l'avenir des batteries de grande capacité, la plupart des applications reposent encore sur le bon vieux graphite.

Cathode et anode en graphite

Dans une batterie lithium-ion, les rôles de l'anode et de la cathode sont inversés. Pendant la charge, les ions lithium vivent à l'anode, tandis que pendant la décharge, ils sont libérés à la cathode. Dans la pratique, l'anode est un graphite en raison de ses propriétés chimiques concernant l'intercalation du lithium. En revanche, d'autres matériaux sont utilisés dans les cathode - l'oxyde de lithium et de cobalt ou le phosphate de fer, par exemple - qui sont plus aptes à laisser entrer ces ions et à les capturer en retour. C'est pourquoi, pour comprendre le fonctionnement d'une batterie, il faut penser à l'anode et à la cathode en fonction de leur identité.

Le processus de fabrication des anodes en graphite

La première est que la matière première, le graphite, doit être nettoyée et les impuretés telles que les siliciumL'étape suivante consiste à mélanger le graphite à des liants pour obtenir une pâte. L'étape suivante consiste à mélanger le graphite à des liants pour obtenir une pâte. Cette pâte est ensuite déposée au rouleau sur une feuille de cuivre, qui sert de collecteur de courant. Ce matériau est ensuite séché et compacté de manière à ce que son épaisseur soit homogène après l'application de la couche de remplissage. Les anodes sont chauffées à des températures élevées afin qu'elles acquièrent leurs propriétés électrochimiques. Elles sont découpées selon les formes et les tailles requises et finalisées pour être intégrées dans les batteries.

Pourquoi l'anode est-elle en graphite et non en acier ?

Le matériau acier a une faible conductivité électrique et le lithium ne peut donc pas être intercalé dans l'acier. Cela réduirait considérablement les performances de la batterie. En revanche, le graphite est un très bon conducteur et peut tolérer le mouvement des ions lithium sans trop de rupture. Le graphite est également un excellent candidat pour les anodes de batteries si l'on considère à la fois le poids et la stabilité chimique/résistance à la corrosion, plus que des matériaux tels que l'acier.

Applications des anodes en graphite

Les anodes en graphite ont de multiples usages autres que les batteries lithium-ion. Elles sont utilisées dans les réactions électrochimiques, par exemple l'électrolyse de l'eau, où elles facilitent la séparation de l'eau en hydrogène et en oxygène grâce au graphite. Les anodes en graphite sont également utilisées dans d'autres types de batteries (comme la batterie sodium-ion) et dans le stockage de l'énergie. L'anode en graphite synthétique est un matériau clé dans la transition vers les énergies renouvelables, car elle nous permet de stocker la nature intermittente des énergies renouvelables, telles que le solaire et l'éolien.