La batterie lithium-ion d'aujourd'hui a été inventée il y a si longtemps, il n'y a pas beaucoup plus d'efficacités à en tirer. Aujourd'hui, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie rapportent des progrès majeurs dans les cathodes réalisées avec des matériaux dits "désordonnés", un nouveau type prometteur de pile au lithium.

Dans une paire d'articles publiés ce mois-ci dans Communication Nature et Lettres d'examen physique ( PRL ), une équipe de scientifiques dirigée par Gerbrand Ceder a mis au point un ensemble de règles pour fabriquer de nouveaux matériaux désordonnés, un processus qui avait auparavant été conduit par essais et erreurs. Ils ont également trouvé un moyen d'incorporer du fluor, ce qui rend le matériau à la fois plus stable et a une capacité plus élevée.

« Cela semble vraiment être une nouvelle direction intéressante pour la fabrication de cathodes à haute densité énergétique, " dit Ceder, un scientifique principal de la faculté au Berkeley Lab qui a également un poste au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. "Il est remarquable que tous les sels minéraux désordonnés que les gens ont trouvés jusqu'à présent aient une capacité de batterie très élevée. Dans le document PRL, nous donnons une directive sur la façon de fabriquer plus systématiquement ces matériaux."

Les bienfaits du désordre

Le matériau de la cathode dans les batteries au lithium est généralement "ordonné, " ce qui signifie que les atomes de lithium et de métaux de transition sont disposés en couches nettes, permettant au lithium d'entrer et de sortir des couches. Il y a quelques années, Le groupe de Ceder a découvert que certains types de matériaux désordonnés pouvaient stocker encore plus de lithium, donnant aux batteries une plus grande capacité.

L'auteur principal de l'article du PRL, "L'origine de la structure électronique du désordre des cations dans les oxydes de métaux de transition, " est Alexandre Urbain, un boursier postdoctoral de Berkeley Lab.

"Malgré leurs propriétés attrayantes, la découverte de nouveaux matériaux désordonnés a été principalement motivée par des essais et des erreurs et en s'appuyant sur l'intuition humaine, ", a déclaré Urban. "Maintenant, nous avons pour la première fois identifié un critère de conception simple pour prédire de nouvelles compositions désordonnées. La nouvelle compréhension établit une relation entre les espèces chimiques, distorsions locales de la structure cristalline, et la tendance à former des phases désordonnées."

L'autre avantage de l'utilisation de matériaux désordonnés est la possibilité d'éviter l'utilisation de cobalt, une ressource limitée, avec plus de la moitié de l'approvisionnement mondial existant dans des pays politiquement instables. En passant aux sels minéraux désordonnés, les concepteurs de batteries pourraient être libres d'utiliser un plus large éventail de produits chimiques. Par exemple, des matériaux désordonnés ont été fabriqués à l'aide de chrome, titane, et molybdène.

"Nous voulons la possibilité d'avoir plus de liberté de composition, afin que nous puissions régler d'autres paramètres, " a déclaré Ceder. " Il y a tellement de propriétés à optimiser - la tension, la stabilité à long terme, qu'il soit facile à synthétiser - il y a tellement de choses à faire pour amener un matériau de batterie à un stade commercial. Maintenant, nous avons une recette pour fabriquer ces matériaux. »

Comment et pourquoi fluorer les batteries

Une autre avancée majeure dans les batteries lithium-ion est signalée dans le Communication Nature papier, « Atténuer la perte d'oxygène pour améliorer les performances de cyclage des matériaux cathodiques désordonnés par les cations à haute capacité, " qui montre que les matériaux désordonnés peuvent être fluorés, contrairement aux autres matériaux de batterie. La fluoration confère deux avantages :elle permet plus de capacité et rend le matériau plus stable. Dans une batterie, la stabilité accrue se traduirait par un appareil avec une longue durée de vie et moins susceptible de prendre feu.

L'auteur principal de l'article, Jinhyuk Lee, anciennement chercheur au Berkeley Lab, travaillé avec des scientifiques de l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, une source de faisceaux de rayons X pour la recherche scientifique, mener des expériences in situ. "L'ALS était vraiment important pour comprendre le mécanisme par lequel nous obtenons une capacité plus élevée, " Ceder a déclaré. " Ce qui est vraiment cool, c'est que vous pouvez regarder la batterie pendant qu'elle fonctionne, et regardez la structure électronique des cathodes. Ainsi, vous apprenez comment il se charge et se décharge, où vont les électrons, qui est un aspect crucial du stockage de charge."

Les scientifiques de la SLA Shawn Sallis et Wanli Yang sont co-auteurs, tout comme Bryan McCloskey de Berkeley Lab. "Son groupe a joué un rôle crucial pour montrer que ces matériaux sont plus stables et ne perdent pas d'oxygène, ", a déclaré Ceder.

Maintenant qu'ils ont démontré le concept, Ceder prévoit de poursuivre en essayant d'ajouter encore plus de fluor aux matériaux.

"Les nouveaux matériaux cathodiques sont la direction la plus chaude dans les batteries Li-ion, " a déclaré Ceder. " Le terrain est un peu bloqué. Pour obtenir plus d'améliorations dans le stockage d'énergie, il n'y a que quelques directions à suivre. L'un est constitué de batteries à semi-conducteurs, et l'autre est de continuer à améliorer la densité énergétique des matériaux d'électrode. Les deux ne s'excluent pas mutuellement. Cette ligne de recherche n'est certainement pas encore épuisée."