Les batteries lithium-ion qui alimentent les véhicules électriques et les téléphones se chargent et se déchargent en transportant des ions lithium entre deux électrodes, une anode et une cathode. Plus les électrodes sont capables d'absorber et de libérer d'ions lithium, plus la batterie peut stocker d'énergie.

Un problème qui afflige les matériaux de batterie commerciaux d'aujourd'hui est qu'ils ne sont capables de libérer qu'environ la moitié des ions lithium qu'ils contiennent. Une solution prometteuse consiste à bourrer les cathodes d'ions lithium supplémentaires, leur permettant de stocker plus d'énergie dans le même espace. Mais pour une raison quelconque, chaque nouveau cycle de charge et de décharge dépouille lentement ces cathodes riches en lithium de leur tension et de leur capacité.

Une nouvelle étude fournit un modèle complet de ce processus, identifier ce qui la provoque et comment elle conduit finalement à la chute de la batterie. Dirigé par des chercheurs de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy et du Lawrence Berkeley National Laboratory, il a été publié aujourd'hui dans Matériaux naturels .

"Cette recherche a abordé beaucoup d'idées fausses dans le domaine, " déclare le responsable de l'étude William Gent, boursier Siebel de l'Université de Stanford et lauréat d'une bourse de doctorat Advanced Light Source and Molecular Foundry au Berkeley Lab. "Il y a un long chemin à parcourir, mais maintenant nous avons une compréhension fondamentale des propriétés qui mènent à ce processus qui va nous aider à exploiter son pouvoir plutôt que de simplement le poignarder dans le noir. »

L'imprégner

Le cyclage du lithium à travers une batterie est comme un relais éponge, un incontournable des pique-niques et des barbecues du 4 juillet qui met au défi les participants de transférer de l'eau d'un seau à un autre en utilisant uniquement une éponge. Plus l'éponge est absorbante, plus l'eau peut être pressée dans le deuxième seau.

Les cathodes de batteries riches en lithium sont comme des éponges super absorbantes, capable d'absorber près de deux fois plus d'ions lithium que les cathodes commerciales, emballant jusqu'à deux fois plus d'énergie dans le même espace. Cela pourrait permettre des batteries de téléphone plus petites et des véhicules électriques qui voyagent plus loin entre les charges.

La plupart des cathodes des batteries lithium-ion contiennent des couches alternées d'oxydes de lithium et de métaux de transition - des éléments comme le nickel ou le cobalt combinés à de l'oxygène. Dans les batteries commerciales, chaque fois qu'un atome de lithium quitte la cathode pour l'anode, un électron est accroché à un atome de métal de transition. Ces électrons créent le courant électrique et la tension nécessaires pour charger le matériau.

Mais quelque chose de différent se produit dans les batteries riches en lithium.

"Une caractéristique inhabituelle des cathodes riches en lithium est que l'électron provient de l'oxygène plutôt que du métal de transition, " dit Michael Toney, éminent scientifique du SLAC et co-auteur de l'article. "Ce processus, appelé oxydation à l'oxygène, permet aux cathodes d'extraire environ 90 % du lithium à une tension suffisamment élevée pour augmenter l'énergie stockée dans la batterie. »

S'effondrer

Mais imaginez dans le relais d'éponge qu'à chaque trempage ultérieur, la structure de l'éponge change :les fibres se rigidifient et se regroupent, manger l'espace vide qui rend le matériau si efficace pour absorber l'eau. L'oxydation de l'oxygène fait quelque chose de similaire. L'étude précédente des auteurs, Publié dans Communication Nature , a montré que chaque fois que les ions lithium sortent de la cathode vers l'anode, certains atomes de métaux de transition se faufilent pour prendre leur place et la structure atomique de la cathode devient un peu plus désordonnée. La structure en couches essentielle à la performance de la cathode se désagrège lentement, sape sa tension et sa capacité.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont montré que c'est parce que retirer l'électron de l'oxygène lui donne envie de former une autre liaison et que les atomes de métal de transition doivent se déplacer pour s'adapter à cette liaison, changer la structure atomique.

"C'est le premier article qui fournit un modèle complet expliquant pourquoi ces choses sont liées et d'où viennent une grande partie des propriétés inhabituelles de la cathode riche en lithium, " dit Jihyun Hong, un post-doctorant Stanford et SLAC, maintenant à l'Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST).

Exploiter l'effet

Toney dit qu'il a fallu la combinaison de la théorie et de nombreuses méthodes expérimentales, fait à la source de lumière synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC ainsi qu'à la source de lumière avancée (ALS) et à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, pour démêler ce problème compliqué.

Cette combinaison a permis à l'équipe de démontrer de manière concluante la forte force motrice derrière les changements dans la configuration de liaison de la cathode pendant l'oxydation de l'oxygène. L'étape suivante, Toney dit, est de trouver des moyens de produire ces changements sans perturber totalement la structure cristalline de la cathode.

"Parce que l'oxydation de l'oxygène donne lieu à une densité d'énergie supplémentaire, être capable de le comprendre et de le contrôler est potentiellement un changeur de jeu dans les véhicules électriques, " dit William Chueh, Professeur assistant en sciences des matériaux à Stanford, qui a co-dirigé l'étude. "Jusque là, les progrès dans cet espace ont été largement progressifs, avec des améliorations de seulement quelques pour cent par an. Si nous pouvons trouver un moyen de faire en sorte que cela fonctionne, ce serait un énorme pas en avant pour rendre cette technologie pratique."