Technologie de pulvérisation par ultrasons pour le revêtement des batteries

Technologie de pulvérisation par ultrasons pour le revêtement des batteries

La technologie de pulvérisation par ultrasons est également un processus « additif » de précision basé sur l’atomisation par ultrasons. Il utilise des vibrations à haute fréquence pour briser la boue en gouttelettes uniformes de la taille du micron, qui sont ensuite délicatement déposées sur le substrat. Ceci convient aux processus de fabrication de batteries où l’uniformité et le contrôle de l’épaisseur sont essentiels.

Principe de fonctionnement : de « Extrusion à haute pression » à « Atomisation douce »

Mécanisme de base : un transducteur piézoélectrique convertit l'énergie électrique en vibration mécanique à haute fréquence (généralement entre 20 kHz et 200 kHz). Cette vibration à haute fréquence génère des « ondes capillaires » sur la surface de la buse, brisant la boue circulant sur la surface en gouttelettes uniformes de la taille du micron.

Différence clé : contrairement aux processus de pulvérisation traditionnels qui reposent sur un flux d’air à haute pression ou une pression hydraulique, la technologie de pulvérisation par ultrasons est beaucoup plus douce. À l’aide d’un gaz porteur à très basse pression, les gouttelettes peuvent être déposées avec précision sur le substrat pour former un revêtement dense et uniforme.

Avantages technologiques de base

La pulvérisation par ultrasons est considérée comme une technologie clé dans la fabrication de batteries au lithium, principalement en raison de ses avantages significatifs en termes de qualité de revêtement et de rentabilité :

Revêtement plus uniforme : les gouttelettes générées par les ultrasons ont une taille très constante, évitant ainsi « l'effet anneau de café » et l'agrégation des particules de bord courantes dans la pulvérisation traditionnelle. L'uniformité de l'épaisseur du revêtement peut être facilement contrôlée jusqu'à plus de 95 %, et les écarts d'épaisseur peuvent même être comprimés à ± 3 %, ce qui est crucial pour améliorer la cohérence des cellules.

Capacité de revêtement plus fin : Cette technologie permet de fabriquer avec précision des revêtements ultra-fins allant de dizaines de nanomètres à des dizaines de micromètres.

Taux d'utilisation plus élevé : en raison de l'absence quasi totale d'éclaboussures ou de pulvérisation excessive, l'utilisation du matériau peut atteindre 85 % à 95 %, soit plus de quatre fois celle d'une pulvérisation traditionnelle à deux fluides. Ceci est extrêmement avantageux pour les couches de catalyseurs en métaux précieux coûteux (comme le platine) ou les nanomatériaux.

Conception sans obstruction : la boue n'a pas besoin d'être pressée à travers de minuscules buses sous haute pression ; au lieu de cela, il est atomisé par l’énergie ultrasonique, éliminant physiquement le colmatage des buses. Certaines conceptions avancées permettent même une pulvérisation stable sans pression, sans colmatage et sans résidus. Meilleur contrôle de l'interface : en ajustant les paramètres de pulvérisation, la structure des pores du revêtement peut être activement conçue ; il permet également des transitions progressives entre les couches telles que les électrodes et les électrolytes, c'est-à-dire les revêtements dégradés, optimisant ainsi la compatibilité des interfaces.

Processus plus respectueux de l'environnement : l'élimination du besoin d'air à haute pression réduit l'évaporation des solvants, le rendant plus écologique et à faible teneur en carbone, tout en réduisant également l'impact environnemental et les coûts de traitement des gaz résiduaires. D'une manière générale, pour ceux qui se concentrent sur la R&D ou qui préparent des échantillons de petite taille, l'équipement de bureau/de laboratoire est le point de départ ; pour une production à l’échelle pilote ou la préparation d’échantillons sur une plus grande surface, un équipement vertical/de taille moyenne est plus approprié ; et pour la production de masse, des équipements industriels en ligne pouvant être intégrés à la chaîne de production sont nécessaires.

Domaines d'application clés : Fabrication d'électrodes (électrodes positives et négatives à haute énergie) : y compris les électrodes positives ternaires à haute teneur en nickel, les électrodes négatives en silicium-carbone, les électrodes négatives au lithium métallique, etc. La conception de la structure à pores fins s'adapte à l'expansion du volume et peut construire une couche protectrice de surface.

Batteries à semi-conducteurs : dans la fabrication de couches d'électrolyte, la pulvérisation par ultrasons est devenue l'un des rares procédés réalisables, capable de produire des revêtements très denses de niveau submicronique avec des épaisseurs contrôlées entre 0,5 et 5 μm. Il est également utilisé pour pulvériser une couche tampon modifiée à l’interface électrode/électrolyte.

Fonctionnalisation du séparateur : Pulvérisation uniforme d'un revêtement céramique d'alumine (Al₂O₃) ou de silice (SiO₂) sur une membrane à base de polyoléfine. Le revêtement lui permet de résister à des températures supérieures à 200°C, évitant ainsi les courts-circuits et améliorant la sécurité.

Collecteurs de courant et composants structurels : Couramment utilisés pour pulvériser une couche de carbone conductrice sur des surfaces en cuivre ou en aluminium afin de réduire la résistance de contact. De plus, il peut être utilisé pour pulvériser un revêtement anticorrosion/isolant ultra-fin et dense sur les languettes et les boîtiers.