Des cathodes à oxyde stratifié ultra-stables pourraient améliorer les performances des batteries

Les efforts récents visant à développer des technologies de batteries plus avancées se sont en grande partie concentrés sur la conception de nouveaux matériaux de cathode. En effet, les cathodes existantes ne fonctionnent pas bien à haute tension et peuvent contribuer à la perte rapide de capacité de la batterie.

Les cathodes à oxydes stratifiés, une classe de matériaux cathodiques à structure cristalline stratifiée, se sont révélées particulièrement prometteuses pour le développement de batteries de nouvelle génération. Les premières conclusions suggèrent que ces matériaux pourraient améliorer les performances des batteries lithium-ion, tout en réduisant leurs coûts de fabrication et en limitant leur impact environnemental.

Des chercheurs du laboratoire national d’Argonne ont récemment conçu de nouvelles cathodes NMC ultra-stables, un type de cathodes à oxydes stratifiés composées de nickel (Ni), de manganèse (Mn) et de cobalt (Co). Ces matériaux nouvellement conçus, présentés dans un article publié dans Énergie naturellese sont avérés capables d’offrir des performances élevées aux batteries lithium-ion sans pertes de capacité significatives.

« Pour faire progresser davantage les cathodes NMC, notre équipe a développé une série de cathodes NMC à gradient de concentration pour exploiter de manière optimale les caractéristiques bénéfiques du Ni, du Mn et du Co », a déclaré à Tech Xplore le Dr Khalil Amine, membre distingué d’Argonne et auteur principal de l’article.

« Dans cette cathode à gradient de concentration, la concentration en nickel diminue linéairement tandis que la concentration en manganèse augmente linéairement du centre vers la couche externe de chaque particule. »

Cette conception de cathode à gradient complet, brevetée par le Dr Amine en 2012, exploite la densité énergétique élevée du Ni (présent au cœur des cathodes), ainsi que la stabilité thermique élevée et la longue durée de vie du Mn dans les couches externes de la cathode. Cette conception a notamment déjà été concédée sous licence à divers fabricants de technologies et de matériaux de batteries.

« Dans la recherche d’une densité énergétique plus élevée et d’un coût plus faible pour les batteries de nouvelle génération, nous avons poussé les cathodes NMC pour un fonctionnement à tension plus élevée (≥ 4,5 V) pour obtenir une capacité élevée, qui dépasse la limitation de tension de la structure en couches conventionnelle et conduit à une perte de capacité rapide », a déclaré le Dr Amine.

« De plus, les goulots d’étranglement actuels dans l’approvisionnement en cobalt (Co) ont eu un impact négatif sur la production de batteries commerciales et ont inspiré le développement de matériaux de cathode moins dépendants du Co. »

Pour surmonter les limites des conceptions de cathodes NMC existantes, le Dr Amine et ses collègues ont entrepris de concevoir une deuxième version actualisée de leurs cathodes à gradient. Cette deuxième génération de cathodes est caractérisée par des gradients liés à la concentration et à la structure, qui comblent collectivement les lacunes des cathodes existantes avec des structures en couches à haute tension.

Les chercheurs ont également abaissé la concentration de Co dans les cathodes. Ce changement de composition pourrait réduire considérablement le coût de fabrication des matériaux des cathodes ainsi que leur impact environnemental.

« Les cathodes à couches précédentes souffrent d’un compromis entre capacité, cyclabilité et sécurité. Par exemple, l’augmentation de la tension de fonctionnement pourrait améliorer leur capacité, mais au détriment de la durée de vie du cycle », explique le Dr Amine. « Par conséquent, la plupart des batteries utilisées dans les véhicules électriques ne peuvent fonctionner qu’à une tension inférieure à 4,3 V, car la structure inhérente a tendance à se dégrader à des tensions élevées, ce qui entraîne une durée de vie réduite et un risque de sécurité élevé. »

Les nouvelles cathodes introduites dans le cadre de cette étude récente présentent une composition unique et une conception à double gradient, qui répondent au plafond de tension observé dans d’autres cathodes existantes. En combinant les avantages de différents composants et structures de matériaux dans une seule cathode, l’équipe a pu atteindre des performances exceptionnelles.

« En détail, la structure stratifiée en vrac à haute teneur en Ni est capable de fournir une capacité élevée et une structure de sel gemme désordonnée en surface pourrait résister à une tension élevée jusqu’à 4,7 V sans changements structurels graves », a déclaré le Dr Tongchao Liu, co-auteur de l’article.

« Par conséquent, cette cathode à double gradient pourrait simultanément atteindre une capacité élevée et une durée de vie supérieure lors d’un fonctionnement à haute tension (> 4,5 V). De plus, cette conception pourrait réduire la consommation de Co jusqu’à 1 % et maximiser ses fonctionnalités et réduire les risques de sécurité. »

Les matériaux nouvellement introduits par les chercheurs s’écartent des conceptions de cathodes conventionnelles, qui utilisent généralement une structure unique et des concentrations élevées en Co. Lors des premières expériences, les nouvelles cathodes se sont révélées remarquablement performantes, permettant le fonctionnement à haute capacité et haute tension des batteries à 4,5 V sans aucune perte de capacité, ainsi qu’une perte de capacité négligeable lors d’un fonctionnement jusqu’à 4,7 V.

« En intégrant la haute densité énergétique de la phase stratifiée à la stabilité structurelle de la phase désordonnée de sel gemme, notre conception répond au compromis de longue date entre capacité, durée de vie et sécurité », a déclaré le Dr Amine. « Cette innovation améliore non seulement les performances globales de la cathode, mais élargit également les directions de recherche pour la conception des matériaux de cathode, permettant la création de nouveaux matériaux qui surpassent de loin ceux existants. »

Ces travaux de recherche récents ouvrent de nouvelles possibilités pour le développement de batteries lithium-ion à plus faible concentration en Co, qui conservent des capacités élevées pendant de plus longues périodes, même en fonctionnant à haute tension. De plus, les cathodes introduites par le Dr Amine et ses collègues pourraient bientôt inspirer d’autres équipes de recherche à concevoir des matériaux similaires avec des structures à double gradient.

« Les prochaines étapes de nos recherches consisteront à optimiser davantage la conception à double gradient afin de réduire encore davantage l’utilisation de Co et de Ni tout en améliorant sa densité énergétique et son évolutivité », a déclaré le Dr Amine. « Nous souhaitons explorer d’autres compositions de matériaux et des modifications structurelles pour repousser encore plus loin les limites de la densité énergétique et de la stabilité. »

Dans le cadre de leurs travaux futurs, les chercheurs prévoient également d’intégrer leurs cathodes dans des systèmes de batteries complets, ce qui leur permettra de tester leurs performances en conditions réelles et d’évaluer leur compatibilité avec les composants de batteries existants. Pour effectuer ces tests, le Dr Amine a breveté sa conception actualisée et initie des collaborations avec des fabricants de batteries.

« À long terme, nous envisageons que notre conception à double gradient inspire une nouvelle génération de matériaux de batterie hautes performances, rentables et durables », a ajouté le Dr Liu. « En réduisant la dépendance au cobalt et en améliorant l’intégrité structurelle des cathodes à haute tension, nos travaux pourraient avoir un impact significatif sur le développement de batteries de nouvelle génération pour les véhicules électriques, l’électronique portable et le stockage sur réseau. »

La source de photons avancée d’Argonne et le centre de matériaux nanométriques (tous deux faisant partie des installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE) et le laboratoire national de Brookhaven ont réalisé une série d’expériences utilisant des techniques de rayons X, d’électrons et d’imagerie pour caractériser le nouveau matériau de cathode au repos et en fonctionnement.

Ces tests ont évalué collectivement le matériau aux niveaux de la cathode, des particules et de l’atome et ont fourni une image complète de sa composition, de sa structure et de ses performances.

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