Construire une meilleure batterie lithium-ion implique de traiter une myriade de facteurs simultanément, de garder la cathode de la batterie électriquement et ioniquement conductrice pour s'assurer que la batterie reste sûre après de nombreux cycles.

Dans une nouvelle découverte, Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont développé un nouveau revêtement cathodique en utilisant une technique de dépôt chimique en phase vapeur oxydante qui peut aider à résoudre ces problèmes et plusieurs autres problèmes potentiels avec les batteries lithium-ion en un seul coup.

"Le revêtement que nous avons découvert fait vraiment d'une pierre cinq ou six oiseaux." Khalil Amine, Argonne distingué collègue et scientifique de la batterie.

Dans la recherche, Amine et ses collègues chercheurs ont pris des particules du matériau cathodique pionnier en nickel-manganèse-cobalt (NMC) d'Argonne et les ont encapsulées avec un polymère contenant du soufre appelé PEDOT. Ce polymère fournit à la cathode une couche de protection contre l'électrolyte de la batterie lorsque la batterie se charge et se décharge.

Contrairement aux revêtements conventionnels, qui ne protègent que la surface extérieure des particules de cathode micrométriques et laissent l'intérieur vulnérable à la fissuration, le revêtement PEDOT avait la capacité de pénétrer à l'intérieur de la particule cathodique, en ajoutant une couche supplémentaire de blindage.

En outre, bien que PEDOT empêche l'interaction chimique entre la batterie et l'électrolyte, il permet le transport nécessaire des ions lithium et des électrons dont la batterie a besoin pour fonctionner.

"Ce revêtement est essentiellement favorable à tous les processus et à la chimie qui font fonctionner la batterie et hostile à toutes les réactions potentielles qui entraîneraient la dégradation ou le dysfonctionnement de la batterie, " a déclaré le chimiste d'Argonne Guiliang Xu, le premier auteur de la recherche.

Le revêtement empêche également en grande partie une autre réaction qui provoque la désactivation de la cathode de la batterie. Dans cette réaction, le matériau de la cathode se transforme en une autre forme appelée spinelle. "La combinaison de presque aucune formation de spinelle avec ses autres propriétés fait de ce revêtement un matériau très excitant, " dit Amine.

Le matériau PEDOT a également démontré sa capacité à empêcher la libération d'oxygène, un facteur majeur de dégradation des matériaux cathodiques NMC à haute tension. "Ce revêtement PEDOT s'est également avéré capable de supprimer la libération d'oxygène pendant le chargement, ce qui conduit à une meilleure stabilité structurelle et améliore également la sécurité, " dit Amine.

Amine a indiqué que les scientifiques des batteries pourraient probablement étendre le revêtement pour une utilisation dans les batteries riches en nickel contenant du NMC. "Ce polymère existe depuis un certain temps, mais nous avons quand même été surpris de voir qu'il a tous les effets encourageants qu'il fait, " il a dit.

Avec le revêtement appliqué, les chercheurs pensent que les batteries contenant du NMC pourraient soit fonctionner à des tensions plus élevées, augmentant ainsi leur production d'énergie, soit avoir une durée de vie plus longue, ou les deux.

Pour effectuer la recherche, les scientifiques se sont appuyés sur deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science situées à Argonne :la source avancée de photons (APS) et le Center for Nanoscale Materials (CNM). Des mesures in situ de diffraction des rayons X à haute énergie ont été effectuées sur la ligne 11-ID-C de l'APS, et la lithographie par faisceau d'ions focalisés et la microscopie électronique à transmission ont été réalisées au CNM.

Un article basé sur l'étude, "Construire des couches de protection ultra-conformes sur les particules secondaires et primaires des cathodes en couches d'oxyde de métal de transition de lithium, " est paru dans l'édition en ligne du 13 mai de Énergie naturelle .