Le Dr Jennifer Ludwig de l'Université technique de Munich (TUM) a développé un processus, qui permet un rapide, Facile, et la production rentable de cristaux nanocristallins de phosphate de lithium cobalt. Comparé au phosphate de fer au lithium standard, ce matériau améliore la densité énergétique des batteries lithium-ion d'environ 600 à 800 wattheures par kilogramme. Crédit :Andreas Battenberg / TUM
La puissance en déplacement est demandée :plus la capacité de la batterie est élevée, plus l'autonomie des voitures électriques est large et plus la durée de fonctionnement des téléphones portables et des ordinateurs portables est longue. Dr. Jennifer Ludwig de l'Université technique de Munich (TUM) a développé un processus qui permet un rapide, Facile, et une production rentable du matériau cathodique prometteur, le phosphate de lithium et de cobalt de haute qualité. La chimiste a reçu le prix de la recherche Evonik pour son travail.
L'espoir est rose :la poudre que Jennifer Ludwig verse soigneusement dans un bol en verre et qui brille en rose à la lumière de la lampe de laboratoire a le potentiel d'améliorer considérablement les performances des futures batteries. "Le phosphate de lithium cobalt peut stocker beaucoup plus d'énergie que les matériaux cathodiques conventionnels, " explique le chimiste.
Travaillant dans le groupe de Tom Nilges, responsable de la Chaire de Synthèse et Caractérisation des Matériaux Innovants, le chimiste a mis au point un procédé pour produire rapidement la poudre rose, avec des quantités minimales d'énergie et de la plus haute qualité.
Les chercheurs sur les batteries considèrent depuis un certain temps le phosphate de lithium et de cobalt comme un matériau d'avenir. Il fonctionne à des tensions plus élevées que le phosphate de fer et de lithium traditionnellement utilisé et ainsi, atteint une densité énergétique plus élevée - 800 wattheures par kilogramme au lieu d'un peu moins de 600 wattheures.
Procédé précédent :cher et énergivore
Précédemment, cependant, la production du matériau cathodique haute tension prometteur nécessitait un processus très complexe, processus énergivore et inefficace dans des conditions difficiles avec des températures de 800 °C. "Et les cristaux qui se forment dans ces conditions varient en taille et doivent être broyés en une poudre nanocristalline en une seconde, étape de production énergivore, " rapporte Ludwig.
Dr. Jennifer Ludwig de l'Université technique de Munich (TUM) avec des échantillons des expériences d'optimisation. Enfin ces expériences ont conduit à un matériau cathodique haute tension, lequel, par rapport au phosphate de fer lithium standard, améliore la densité énergétique des batteries lithium-ion d'environ 600 à 800 wattheures par kilogramme. Crédit :Andreas Battenberg / TUM
Par ailleurs, les cristaux résultants présentent une conductivité ionique suffisante dans une seule direction. Sur la plus grande partie de la surface, la réaction chimique entre le matériau de l'électrode et l'électrolyte dans les batteries progresse très lentement.
Cristaux sur mesure
Le processus de synthèse par micro-ondes développé par Jennifer Ludwig résout tous ces problèmes à la fois :l'obtention du phosphate de lithium cobalt de haute qualité ne nécessite qu'un four à micro-ondes et 30 minutes de temps.
Les réactifs sont placés dans un récipient en Téflon avec un solvant et sont ensuite chauffés. 600 W suffisent pour atteindre les 250 °C requis pour stimuler la formation de cristaux.
Les plaquettes plates créées au cours du processus mesurent moins d'un micromètre de diamètre et ne font que quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, avec l'axe de conductivité maximale orienté vers la surface. "Cette forme assure de meilleures performances électrochimiques car les ions lithium n'ont besoin de se déplacer que sur de courtes distances à l'intérieur des cristaux, " explique Ludwig.
Image au microscope électronique des cristaux de phosphate de lithium et de cobalt en forme de plaquettes. Comme les cristaux n'ont que quelques centaines de nanomètres d'épaisseur et que l'axe de conductivité maximale est orienté vers la surface, les ions lithium n'ont besoin de se déplacer que sur de courtes distances à l'intérieur du cristal. Crédit :Katia Rodewald / TUM
Piloter la réaction
La chimiste a également pu résoudre un autre problème au cours de ses expériences :à des températures supérieures à 200 °C et sous haute pression, au lieu du phosphate de lithium et de cobalt souhaité, un inconnu jusqu'à présent, Un composé complexe d'hydroxyde de cobalt et d'hydrogénophosphate est parfois formé.
Jennifer Ludwig a réussi à élucider le mécanisme de réaction, isoler le composé et déterminer sa structure et ses propriétés. Étant donné que le nouveau composé ne convient pas comme matériau de batterie, elle a modifié la réaction de sorte que seul le phosphate de lithium et de cobalt souhaité soit produit.
"Avec ce nouveau procédé de production, nous pouvons maintenant créer de la haute performance, cristaux de phosphate de lithium cobalt en forme de plaquettes avec des propriétés sur mesure de haute qualité, " dit le professeur Nilges. " Ainsi, un obstacle supplémentaire sur la voie des nouveaux matériaux haute tension a été franchi."
