Les électrodes LiMnO₂ pourraient remplacer Ni/Co dans les batteries des véhicules électriques

Les batteries lithium-ion (ou Li-ion) sont des poids lourds dans le monde des batteries rechargeables. Alors que les véhicules électriques deviennent de plus en plus courants dans le monde, une batterie à haute énergie et à faible coût utilisant l’abondance de manganèse (Mn) peut être une option durable pour devenir disponible sur le marché et utilisée dans l’industrie automobile.

Actuellement, les batteries utilisées pour alimenter les véhicules électriques (VE) sont à base de nickel (Ni) et de cobalt (Co), ce qui peut être coûteux et non durable pour une société où le désir de VE est croissant.

En remplaçant les matériaux de l’électrode positive par un matériau à base de lithium/manganèse, les chercheurs visent à maintenir les hautes performances des matériaux à base de Ni/Co mais avec une solution durable et à faible coût.

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Centre scientifique central de l’ACS le 26 août 2024.

Les batteries Li-ion ne sont pas de nouveaux acteurs dans le domaine de l’électronique rechargeable, mais il existe toujours des moyens d’innover et d’améliorer des méthodes déjà fiables. LiMnO₂ en tant que matériau d’électrode, il a été étudié dans le passé, mais a toujours été limité par les performances restrictives des électrodes.

« Grâce à l’étude systématique de différents LiMnO₂ polymorphes, il a été constaté que le domaine stratifié monoclinique active efficacement la transition structurelle vers la phase de type spinelle. À partir de cette découverte, le LiMnO nanostructuré₂ « Avec les structures de domaines stratifiés monocliniques et la grande surface spécifique, il a été directement synthétisé en utilisant une simple réaction à l’état solide », a déclaré Naoaki Yabuuchi, auteur et chercheur de l’étude.

Un système monoclinique fait référence au type de symétrie de groupe d’une structure cristalline solide. Un arrangement Li/Mn avec la symétrie monoclinique semble être la clé pour fabriquer LiMnO₂ une option envisageable pour un matériau d’électrode positive.

Sans la transition de phase structurelle permise par le domaine monoclinique, les performances de l’électrode seraient limitées en raison de la structure cristalline sous-optimale du LiMnO₂ et les transitions de phase qui les accompagnent.

Après avoir observé et testé les différents polymorphes, il a été déterminé que la structure requise peut être synthétisée directement à partir de deux composants sans avoir recours à une étape intermédiaire. Le matériau obtenu est compétitif par rapport aux matériaux stratifiés à base de nickel et possède d’excellentes capacités de charge rapide, indispensables pour les véhicules électriques.

Le LiMnO nanostructuré₂ avec le domaine stratifié monoclinique est synthétisé par un simple processus de calcination pour donner un produit avec une densité énergétique élevée, atteignant 820 wattheures par kilogramme (Wh kg^-1), contre environ 750 Wh kg^-1 pour matériaux stratifiés à base de nickel et 500 Wh kg^-1 pour d’autres matériaux à base de lithium à faible coût.

Aucune décroissance de tension n’a été signalée en utilisant du LiMnO nanostructuré.₂ce qui est courant dans les matériaux à base de manganèse.

La décroissance de tension est un phénomène dans lequel la tension diminue progressivement, réduisant au fil du temps les performances et la réactivité de l’électronique. Cependant, cela ne semble pas être un problème observable dans le cas du LiMnO nanostructuré₂qui fait l’objet de l’étude.

Bien que les résultats soient prometteurs, un problème pratique peut être observé : la dissolution du manganèse. Au fil du temps, le manganèse peut se dissoudre en raison de nombreux facteurs, tels que les changements de phase ou la réaction avec des solutions acides. Heureusement, ce phénomène peut être limité ou complètement atténué par l’utilisation d’une solution électrolytique hautement concentrée et d’un revêtement en phosphate de lithium.

Les chercheurs espèrent que leurs découvertes contribueront à une source d’énergie plus durable que les combustibles fossiles, notamment en ce qui concerne les véhicules électriques.

Les performances du LiMnO₂avec sa densité énergétique compétitive par rapport aux matériaux à base de nickel, démontre le potentiel que peuvent avoir les matériaux alternatifs pour produire des produits respectueux de l’environnement qui sont durables à la fois en production et en tant qu’investissement à long terme.

Un avenir idéal pour le LiMnO nanostructuré₂Les matériaux d’électrodes à base de silicium pourraient être commercialisés et produits industriellement dans l’industrie des véhicules électriques de luxe.