De nombreuses cellules lithium sont fabriquées avec une anode en graphite. Ce matériaux, composé de carbone arrangé dans une réseau tridimensionnel hexagonal, possède des propriétés remarquables. Il est stable, pas cher et il permet au ions lithium de s'intercaler dans sa structure. Il existe cependant plusieurs variantes pour ce type d'anode, avec chacune leurs avantages et leurs inconvénients. De plus, des travaux de recherche actuels, et très prometteurs, étudient l'utilisation d'autres formes de carbone, le graphène et même des nonotubes de carbone (abrégés CNT pour Carbon Nanotubes).

Nous présentons ici les différents types de graphites utilisés pour les anodes, dans leur ordre d'importance au niveau du volume d'utilisation. Finalement nous faisons une brève synthèse des innovations en cours incluant du carbone sous une forme différente.

Comme son nom l'indique, il s'agit de graphite extrait directement de minerai naturel. C'est la forme la plus courante pour les anodes de cellules lithium, il a l'avantage d'être disponible en grande quantité et à un coût relativement bas.

C'est le graphite qui constitue également les mines de crayons à papier.

En contre-partie il contient des impuretés qui provoquent des variations et, globalement, une petite diminution au niveau des performances de l'anode.

En utilisant des matériaux carbonée on peut industriellement produire du graphite, avec une pureté supérieure et une structure cristalline plus uniforme. Son coût est plus élevé mais il aura une meilleure capacité de cyclage grace à sa grande pureté et donc une dégradation moins rapide.

Il s'agit d'une variante de carbone synthétique, avec des particules sphériques dont la taille est contrôlée. Sa densité est particulièrement élevée, ce qui permet d'améliorer la capacité globale d'une cellule.

De plus l'optimisation de la taille et des surfaces d'échange permet une meilleure intercalation du lithium et la possibilité d'une recharge plus rapide. Autre avantage, sa dilatation est réduite et limite ainsi la dégradation au cours des cycles.

Tous ces avantages vont de pair avec un coût plus élevé.

Les particules de graphite sont ici enrobées par une couche de carbone amorphe (sans structure cristalline). Cette couche protège le graphite des réactions indésirables avec l'électrolyte qui provoque la création de la couche SEI (Solid Electrolyte Interphase). La durée de vie de la cellule sera améliorée, contre un coût de production plus élevé.

Ici la structure est parsemée de pores qui seront occupés par l'électrolyte, favorisant ainsi la diffusion des ions dans l'anode et augmentant les surfaces de contacts. On retrouve ainsi un peu les mêmes avantages que le graphite MCMB avec de meilleures capacités et rapidités de charge mais à un coût moindre.

En incorporant des éléments (Azote, Bore) dans la structure on peut améliorer les propriétés électrochimiques et la capacité d'intercalation des ions lithium dans la structure. On peut ainsi obtenir de meilleures performances globales (densité d'énergie, nombre de cycles) au prix d'un processus de fabrication plus complexe et plus coûteux.

Des anodes utilisant le carbone sous d'autres formes, en particulier le graphène (feuille de carbone où les atomes sont arrangés sur une seule couche dans un réseau hexagonal) ou de CNT (Carbon Nanotubes) sont en développement dans les laboratoires.

Ces deux formes d'arrangement du carbone possèdent des propriétés remarquables:

• excellente conductivité électrique: meilleur transport des électrons
• excellente conductivité thermique: meilleure dissipation de la chaleur
• possibilité d’intercaler plus de ions lithium: meilleure capacité globale de la cellule
• stabilité mécanique: bonne résistance aux cyclages et longévité améliorée

Le détail du processus de fabrication ajoute encore de nombreuses variantes à la liste d'électrode à base de graphite.

De manière générale on commence par produire une mixture liquide, de viscosité contrôlée, qui contient la poudre de graphite, le liant, un additif conducteur et un solvant.

Cette mixture est appliquée sur une feuille de cuivre par différentes méthodes en s'appliquant à maitriser son épaisseur, puis, le solvant (composé organique ou de l'eau) est ensuite évaporé de manière contrôlée.

Cet assemblage est comprimé et découpé pour obtenir l'élément de base de l'anode qui sera empilé dans une cellule complète.

Les anodes à base de graphite sont l'un des éléments les plus courants dans les batteries au lithium. Néanmoins, on peut trouver une large panoplie de variantes, tant au niveau du composant actif de base que des propriétés finales de l'anode qui résultera des détails du procédé de fabrication.

De plus, le comportement de l'anode une fois intégrée dans une cellule dépendra encore d'autres facteurs, tels que le choix de l'électrolyte ou le dimensionnement des différents composants de la cellule. Un fabricant de cellules peut effectivement privilégier certaines propriétés telles que la capacité initiale de la cellule ou alors d'autres critères tels que son niveau de dangerosité, sa longévité ou son coût.