Une modification apparemment simple dans la fabrication des batteries lithium-ion pourrait avoir des retombées significatives, améliorant la capacité des véhicules électriques (VE) à stocker plus d’énergie par charge et à résister à un plus grand nombre de cycles de charge, selon une nouvelle recherche dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory du Département de l’énergie américain.
La vision de la batterie riche en nickel
Les cathodes des batteries conventionnelles pour VE utilisent un cocktail d’oxydes métalliques – oxydes de lithium nickel manganèse cobalt (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2), abrégé en NMC.
Lorsqu’on incorpore plus de nickel dans une cathode, cela augmente considérablement la capacité de la batterie à stocker de l’énergie, et donc, l’autonomie du VE.
Par conséquent, le NMC riche en nickel (tel que le NMC811, où le «8» dénote 80% de nickel) est d’un grand intérêt et d’une grande importance.
Les défis de la synthèse du NMC811 monocristallin
Une stratégie pour résoudre ce problème : convertir ce NMC polycristallin et bosselé en une forme monocristalline lisse en éliminant les frontières problématiques entre les cristaux – mais cette conversion est plus facile à dire qu’à faire.
Dans les laboratoires, les monocristaux sont cultivés dans des environnements tels que les sels fondus ou les réactions hydrothermales qui produisent des surfaces de cristaux lisses. Ces environnements ne sont en revanche pas pratiques pour la fabrication réelle de cathodes, où des méthodes à l’état solide et à moindre coût sont préférées.
La solution du PNNL
Dirigée par des experts en batteries du PNNL, et en collaboration avec Albemarle Corporation, l’équipe de recherche a résolu ces problèmes en introduisant une étape de préchauffage qui modifie la structure et les propriétés chimiques de l’hydroxyde de métal de transition.
Lorsque l’hydroxyde de métal de transition préchauffé réagit avec le sel de lithium pour former la cathode, il crée une structure NMC monocristalline uniforme qui semble lisse, même sous grossissement.
En synthèse
La méthode de synthèse pour la cathode monocristalline riche en nickel est à la fois innovante et rentable. Elle est également facile à mettre à l’échelle, car il s’agit d’une approche de remplacement qui permet aux fabricants de cathodes d’utiliser les installations de production existantes pour produire commodément du NMC811 monocristallin – et même des cathodes avec plus de 80% de nickel.
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Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le NMC811 ?
Le NMC811 est une forme de cathode pour les batteries lithium-ion qui contient 80% de nickel, 10% de manganèse et 10% de cobalt.
Pourquoi le nickel est-il important dans les batteries ?
Le nickel augmente la capacité de la batterie à stocker de l’énergie, ce qui augmente l’autonomie du véhicule électrique.
Qu’est-ce qu’une cathode monocristalline ?
Une cathode monocristalline est une cathode qui a été transformée en une forme lisse et uniforme en éliminant les frontières entre les cristaux.
Quels sont les avantages de la méthode de synthèse du PNNL ?
La méthode de synthèse du PNNL est innovante, rentable et facile à mettre à l’échelle. Elle permet de produire des cathodes monocristallines NMC811 et même des cathodes avec plus de 80% de nickel.
Quels sont les prochains pas pour cette technologie ?
La prochaine étape est la phase de recherche, qui devrait commencer début 2024. Le PNNL, en collaboration avec des partenaires industriels et universitaires, travaillera à réaliser la synthèse et les tests à l’échelle commerciale en vue de la production.
Références
Article : « Simultaneous Single Crystal Growth and Segregation of Ni-Rich Cathode Enabled by Nanoscale Phase Separation for Advanced Lithium-Ion Batteries » – DOI: doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102947
Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory. (2023).
