Le rôle crucial de l’oxygène dans la durabilité des batteries

Dans le domaine de l’énergie, des chercheurs ont réalisé des progrès importants dans la compréhension et la résolution des problèmes liés aux matériaux cathodiques riches en Nickel utilisés dans les batteries lithium-ion.

Les matériaux cathodiques riches en nickel, utilisés dans les batteries lithium-ion, présentent le potentiel d’atteindre des tensions et des capacités élevées. Cependant, leur utilisation pratique a été entravée par des instabilités structurelles et une perte d’oxygène.

Le rôle crucial de la formation de ‘trous d’oxygène’

La dernière étude a révélé que la formation de ‘trous d’oxygène’ – lorsqu’un ion oxygène perd un électron – joue un rôle crucial dans la dégradation des cathodes LiNiO2. Cela accélère la libération d’oxygène, qui peut ensuite dégrader davantage le matériau de la cathode.

Grâce à un ensemble de techniques de calcul de pointe utilisées sur les supercalculateurs régionaux du Royaume-Uni, les chercheurs ont pu examiner le comportement des cathodes LiNiO2 lorsqu’elles sont chargées. Ils ont découvert que lors de la charge, l’oxygène du matériau subit des changements, tandis que la charge du nickel reste essentiellement inchangée.

Le co-auteur, le Professeur Andrew J. Morris, de l’Université de Birmingham, a commenté : « Nous avons constaté que la charge des ions nickel reste autour de +2, qu’il soit en forme chargée ou déchargée. En même temps, la charge de l’oxygène varie de -1,5 à environ -1. »

Il ajoute : « C’est inhabituel, le modèle conventionnel suppose que l’oxygène reste à -2 tout au long de la charge, mais ces changements montrent que l’oxygène n’est pas très stable, et nous avons trouvé un moyen pour qu’il quitte la cathode riche en nickel. »

Les chercheurs ont comparé leurs calculs avec des données expérimentales et ont constaté que leurs résultats correspondaient bien à ce qui était observé.

Proposition d’un mécanisme de perte d’oxygène

Ils ont proposé un mécanisme expliquant comment l’oxygène est perdu lors de ce processus. Ce processus implique la combinaison de radicaux oxygène pour former un ion peroxyde, qui est ensuite converti en gaz oxygène, laissant des vides dans le matériau. Ce processus libère de l’énergie et forme de l’oxygène singulet, une forme d’oxygène hautement réactive.

La première auteure, le Dr Annalena Genreith-Schriever de l’Université de Cambridge, ajoute : « Potentiellement, en ajoutant des dopants qui réduisent l’oxydoréduction de l’oxygène, tout en favorisant l’oxydoréduction du métal de transition, notamment à la surface, nous pouvons améliorer la stabilité et la longévité de ces types de batteries lithium-ion, ouvrant la voie à des systèmes de stockage d’énergie plus efficaces et fiables. »

En synthèse

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour diverses applications en raison de leur haute densité énergétique et de leur propriété de recharge, mais les défis associés à la stabilité des matériaux cathodiques ont entravé leur performance globale et leur durée de vie.

Le Professeur Louis Piper, Professeur d’Innovation en Batterie, WMG et co-responsable du consortium de dégradation des batteries de l’Institution Faraday, a conclu : « La perte d’oxygène entraîne une dégradation accélérée des batteries lithium-ion riches en nickel. Ce travail explique son origine et est crucial pour comprendre comment concevoir des solutions pour améliorer la durée de vie des batteries.« 

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau cathodique Ni-riche ?

C’est un matériau utilisé dans les cathodes des batteries lithium-ion qui contient une forte concentration de nickel.

Qu’est-ce que la formation de ‘trous d’oxygène’ ?

C’est un processus où un ion oxygène perd un électron, ce qui peut entraîner la dégradation des matériaux de la cathode.

Comment peut-on améliorer la stabilité de ces batteries ?

En ajoutant des dopants qui réduisent l’oxydoréduction de l’oxygène et favorisent celle du métal de transition, notamment à la surface des matériaux.

Des chercheurs de l’université de Birmingham, de l’université de Cambridge, du WMG de l’université de Warwick et de la Faraday Institution de Didcot ont publié leurs conclusions dans la revue Joule.