Les batteries lithium-ion, omniprésentes dans nos technologies modernes, sont soumises à l’épreuve du temps et de l’usage intensif. Leur capacité à stocker l’énergie efficacement devient un facteur déterminant pour l’avenir des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie. Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Jihyun Hong de l’Institut Supérieur de Technologie des Matériaux Ferreux et Écologiques de POSTECH a élaboré une stratégie innovante pour améliorer la durabilité des oxydes de lithium riches en couches (LLO), promettant ainsi une révolution dans la longévité des batteries.
Les batteries lithium-ion (LIBs) jouent un rôle central dans l’essor des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie (ESS). L’oxyde de lithium riche en couches (LLO) représente une avancée notable en offrant une densité énergétique supérieure de 20% par rapport aux cathodes traditionnelles à base de nickel. En réduisant le contenu en nickel et en cobalt tout en augmentant celui en lithium et en manganèse, LLO se positionne comme une alternative plus économique et durable. Cependant, leurs performances ont été limitées par des problèmes comme la diminution de la capacité et la dégradation de la tension lors des cycles de charge-décharge.
Les défis de la stabilité structurelle
Les études antérieures ont mis en lumière les changements structurels dans la cathode durant les cycles de charge-décharge comme étant la cause principale des problèmes de performance. Toutefois, les raisons exactes de cette instabilité demeuraient obscures. Les tentatives précédentes pour renforcer la stabilité structurelle de LLO n’ont pas réussi à traiter les causes fondamentales de ces dégradations, ce qui a retardé leur adoption commerciale.
La libération de l’oxygène a été identifiée comme un facteur clé dans la déstabilisation de la structure de LLO durant le processus de charge-décharge. L’équipe de recherche a donc concentré ses efforts sur l’amélioration de la stabilité chimique à l’interface entre la cathode et l’électrolyte, visant ainsi à réduire la libération d’oxygène.
Une nouvelle approche pour la durabilité
En renforçant l’interface cathode-électrolyte par une meilleure composition de l’électrolyte, les chercheurs ont réussi à diminuer significativement les émissions d’oxygène. Cette méthode a permis de maintenir un taux de rétention énergétique impressionnant de 84,3% après 700 cycles de charge-décharge, comparé à un taux moyen de 37,1% avec les électrolytes conventionnels après seulement 300 cycles.
De plus, l’analyse des changements structurels à la surface du matériau LLO a révélé une influence majeure sur la stabilité globale. En s’attaquant à ces modifications superficielles, l’équipe a non seulement amélioré la longévité et la performance de la cathode mais a également minimisé les réactions indésirables comme la décomposition de l’électrolyte à l’intérieur de la batterie
«Grâce à la radiation synchrotron, nous avons pu analyser les différences chimiques et structurales entre la surface et l’intérieur des particules de cathode. Cela a montré que la stabilité de la surface de la cathode est essentielle pour l’intégrité structurelle globale du matériau et ses performances. Nous pensons que cette recherche fournira de nouvelles directions pour le développement des matériaux de cathode de nouvelle génération.» a conclu le professeur Jihyun Hong.
Il est clair que cette découverte pourrait avoir des répercussions importantes sur la conception et la performance future des batteries lithium-ion.
1. Oxydes stratifiés riches en Li-/Mn (LLO)
Dans l’un des matériaux cathodiques pour batteries au lithium disponibles dans le commerce et dotés d’une structure en couches, certains des métaux de transition ont été remplacés par du lithium. Contrairement aux matériaux ternaires en couches à base de nickel largement utilisés, plus de 55 % de la teneur en métaux de transition de ce matériau est constituée de manganèse.
2. Densité d’énergie
L’énergie spécifique d’un matériau énergétique, exprimée en énergie par unité de poids, peut être calculée comme suit : [capacité x tension]. Par conséquent, l’amélioration de la tension ou de la capacité de stockage de l’énergie peut conduire à une amélioration de la densité énergétique.
3. Changement structurel
Il s’agit du phénomène par lequel l’arrangement atomique régulier se transforme en une nouvelle phase en raison de divers changements irréversibles au cours des cycles de charge-décharge, tels que la libération d’oxygène et la migration des métaux de transition. Dans les matériaux stratifiés comme le LLO, des transitions de phase vers des phases de rocksalt ou de spinelle peuvent se produire.
Le financement de cette recherche a été assuré par le Ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie via l’Institut Coréen pour l’Avancement de la Technologie, ainsi que par le Ministère des Sciences et des TIC via la Fondation Nationale de Recherche de Corée pour l’année 2024.
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Article : « Decoupling capacity fade and voltage decay of Li-rich Mn-rich cathodes by tailoring surface reconstruction pathways » – DOI: https://doi.org/10.1039/D4EE02329C
