Des chercheurs du MIT ont mis au point un modèle qui explique les taux d’intercalation du lithium dans les batteries lithium-ion.
Au cœur de toutes les batteries lithium-ion se trouve une réaction simple : les ions lithium dissous dans une solution électrolytique « s’intercalent » ou s’insèrent dans une électrode solide pendant la décharge de la batterie. Lorsqu’ils se dés-intercalent et retournent dans l’électrolyte, la batterie se recharge.
Ce processus se produit des milliers de fois tout au long de la durée de vie d’une batterie. La quantité d’énergie que la batterie peut générer et la vitesse à laquelle elle peut se recharger dépendent de la rapidité avec laquelle cette réaction se produit. Cependant, on en sait peu sur le mécanisme exact de cette réaction ou sur les facteurs qui contrôlent sa vitesse.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs du MIT ont mesuré les taux d’intercalation du lithium dans divers matériaux de batterie et ont utilisé ces données pour développer un nouveau modèle expliquant comment la réaction est contrôlée. Leur modèle suggère que l’intercalation du lithium est régie par un processus appelé transfert couplé ion-électron, dans lequel un électron est transféré à l’électrode en même temps qu’un ion lithium.
Selon les chercheurs, les informations tirées de ce modèle pourraient orienter la conception de batteries lithium-ion plus puissantes et à charge plus rapide.
« Nous espérons que ces travaux permettront d’accélérer et de mieux contrôler les réactions, ce qui pourrait accélérer la charge et la décharge », indique Martin Bazant, professeur Chevron de génie chimique et professeur de mathématiques au MIT.
Le nouveau modèle pourrait également aider les scientifiques à comprendre pourquoi certaines modifications apportées aux électrodes et aux électrolytes permettent d’augmenter l’énergie, la puissance et la durée de vie des batteries, un processus qui s’est principalement fait par essais et erreurs.
« Il s’agit d’un de ces articles dans lesquels nous commençons à unifier les observations des vitesses de réaction que nous observons avec différents matériaux et interfaces, dans une théorie du transfert couplé d’électrons et d’ions pour l’intercalation, en nous appuyant sur des travaux antérieurs sur les vitesses de réaction », ajoute Yang Shao-Horn, professeur J.R. East d’ingénierie au MIT et professeur de génie mécanique, de science et d’ingénierie des matériaux et de chimie.
Modélisation du flux de lithium
Pendant plusieurs décennies, les scientifiques ont émis l’hypothèse que la vitesse d’intercalation du lithium au niveau d’une électrode de batterie lithium-ion était déterminée par la vitesse à laquelle les ions lithium pouvaient se diffuser de l’électrolyte vers l’électrode. Ils pensaient que cette réaction était régie par un modèle connu sous le nom d’équation de Butler-Volmer, développé à l’origine il y a près d’un siècle pour décrire la vitesse de transfert de charge lors d’une réaction électrochimique.
Cependant, lorsque les chercheurs ont tenté de mesurer les taux d’intercalation du lithium, les mesures obtenues n’étaient pas toujours cohérentes avec les taux prédits par l’équation de Butler-Volmer. De plus, il a été difficile d’obtenir des mesures cohérentes entre les laboratoires, différentes équipes de recherche rapportant des mesures pour la même réaction qui variaient d’un facteur pouvant atteindre 1 milliard.
Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT a mesuré les taux d’intercalation du lithium à l’aide d’une technique électrochimique qui consiste à appliquer des impulsions de tension courtes et répétées à une électrode. Ils ont généré ces mesures pour plus de 50 combinaisons d’électrolytes et d’électrodes, notamment l’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt, couramment utilisé dans les batteries des véhicules électriques, et l’oxyde de lithium-cobalt, que l’on trouve dans les batteries qui alimentent la plupart des téléphones portables, des ordinateurs portables et d’autres appareils électroniques portables.
Pour ces matériaux, les taux mesurés sont beaucoup plus faibles que ceux qui avaient été rapportés précédemment, et ils ne correspondent pas à ce que prédirait le modèle traditionnel de Butler-Volmer.
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Les chercheurs ont utilisé ces données pour élaborer une théorie alternative sur la façon dont l’intercalation du lithium se produit à la surface d’une électrode. Cette théorie repose sur l’hypothèse que pour qu’un ion lithium pénètre dans une électrode, un électron provenant de la solution électrolytique doit être transféré vers l’électrode en même temps.
« L’étape électrochimique n’est pas l’insertion du lithium, que l’on pourrait croire être l’étape principale, mais en réalité le transfert d’électrons pour réduire le matériau solide qui héberge le lithium. Le lithium est intercalé en même temps que l’électron est transféré, et ils se facilitent mutuellement. » explique M. Bazant.
Ce transfert couplé d’électrons et d’ions (CIET) abaisse la barrière énergétique qui doit être franchie pour que la réaction d’intercalation se produise, ce qui la rend plus probable. Le cadre mathématique du CIET a permis aux chercheurs de faire des prévisions sur la vitesse de réaction, qui ont été validées par leurs expériences et qui diffèrent considérablement de celles faites par le modèle de Butler-Volmer.
Charge plus rapide
Dans cette étude, les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient ajuster les taux d’intercalation en modifiant la composition de l’électrolyte. Par exemple, le remplacement de différents anions peut réduire la quantité d’énergie nécessaire au transfert du lithium et des électrons, rendant le processus plus efficace.
« Le réglage de la cinétique d’intercalation en modifiant les électrolytes offre de grandes possibilités pour améliorer les vitesses de réaction, modifier la conception des électrodes et, par conséquent, améliorer la puissance et l’énergie des batteries », précise Shao-Horn.
Le laboratoire de Shao-Horn et ses collaborateurs ont utilisé des expériences automatisées pour fabriquer et tester des milliers d’électrolytes différents, qui sont utilisés pour développer des modèles d’apprentissage automatique permettant de prédire les électrolytes dotés de fonctions améliorées.
Ces résultats pourraient également aider les chercheurs à concevoir des batteries qui se rechargeraient plus rapidement, en accélérant la réaction d’intercalation du lithium. Un autre objectif est de réduire les réactions secondaires qui peuvent entraîner une dégradation de la batterie lorsque les électrons sont prélevés de l’électrode et se dissolvent dans l’électrolyte.
« Si vous voulez le faire de manière rationnelle, et pas seulement par essais et erreurs, vous avez besoin d’un cadre théorique pour connaître les paramètres matériels importants sur lesquels vous pouvez jouer. C’est ce que cet article tente de fournir. » conclut M. Bazant.
Shao-Horn et Bazant sont les auteurs principaux de l’article, publié aujourd’hui dans Science. Les auteurs principaux de l’article sont Yirui Zhang, docteur en 2022, aujourd’hui professeur adjoint à l’université Rice ; Dimitrios Fraggedakis, docteur en 2021, aujourd’hui professeur adjoint à l’université de Princeton ; Tao Gao, ancien post-doctorant au MIT, aujourd’hui professeur adjoint à l’université de l’Utah ; et Shakul Pathak, étudiant diplômé du MIT.
Article : « Lithium-ion intercalation by coupled ion-electron transfer » – DOI : 10.1126/science.adq2541
Source : MIT
