Une équipe de recherche de la Northwestern University a trouvé des moyens de stabiliser une nouvelle batterie avec une capacité de charge record. A base d'une cathode en oxyde de lithium-manganèse, cette percée pourrait permettre aux téléphones intelligents et aux automobiles alimentées par batterie de durer plus de deux fois plus longtemps entre les charges.

"Cette électrode de batterie a réalisé l'une des capacités les plus élevées jamais rapportées pour toutes les électrodes à base d'oxyde de métal de transition. C'est plus du double de la capacité des matériaux actuellement dans votre téléphone portable ou ordinateur portable, " a déclaré Christopher Wolverton, le professeur Jerome B. Cohen de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern, qui a dirigé l'étude. "Ce type de haute capacité représenterait un grand progrès vers l'objectif des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques."

L'étude a été publiée en ligne le 14 mai dans Avancées scientifiques .

Les batteries lithium-ion fonctionnent en faisant aller et retour les ions lithium entre l'anode et la cathode. La cathode est constituée d'un composé qui comprend des ions lithium, un métal de transition et de l'oxygène. Le métal de transition, généralement du cobalt, stocke et libère efficacement l'énergie électrique lorsque les ions lithium se déplacent de l'anode à la cathode et inversement. La capacité de la cathode est alors limitée par le nombre d'électrons du métal de transition pouvant participer à la réaction.

Une équipe de recherche française a signalé pour la première fois le composé lithium-oxyde de manganèse de grande capacité en 2016. En remplaçant le cobalt traditionnel par du manganèse moins cher, l'équipe a développé une électrode moins chère avec plus du double de capacité. Mais ce n'était pas sans défis. Les performances de la batterie se sont tellement dégradées au cours des deux premiers cycles que les chercheurs ne l'ont pas considérée comme commercialement viable. Ils ne comprenaient pas non plus pleinement l'origine chimique de la grande capacité ou de la dégradation.

Après avoir composé un détail, image atome par atome de la cathode, L'équipe de Wolverton a découvert la raison de la grande capacité du matériau :il force l'oxygène à participer au processus de réaction. En utilisant de l'oxygène - en plus du métal de transition - pour stocker et libérer de l'énergie électrique, la batterie a une capacité plus élevée pour stocker et utiliser plus de lithium.

Prochain, l'équipe de Northwestern s'est concentrée sur la stabilisation de la batterie afin d'éviter sa dégradation rapide.

"Armé de la connaissance du processus de charge, nous avons utilisé des calculs à haut débit pour parcourir le tableau périodique afin de trouver de nouvelles façons d'allier ce composé avec d'autres éléments qui pourraient améliorer les performances de la batterie, " dit Zhenpeng Yao, co-premier auteur de l'article et ancien Ph.D. étudiant au laboratoire de Wolverton.

Les calculs ont identifié deux éléments :le chrome et le vanadium. L'équipe prédit que le mélange de l'un ou l'autre élément avec de l'oxyde de lithium-manganèse produira des composés stables qui maintiendront la capacité élevée sans précédent de la cathode. Prochain, Wolverton et ses collaborateurs testeront expérimentalement ces composés théoriques en laboratoire.