Une illustration montre la cathode d'une batterie subissant une transition de phase du phosphate de fer (FP) au phosphate de fer lithium (LFP) pendant la charge. Des simulations réalisées par des scientifiques de l'Université Rice ont montré que l'ajout de défauts - des distorsions dans leurs réseaux cristallins - pourrait aider les batteries à se charger plus rapidement. Crédit : Kaiqi Yang/Université du riz
Voici un cas où les détours accélèrent la circulation. Le résultat peut être de meilleures batteries pour le transport, l'électronique et le stockage de l'énergie solaire.
Des scientifiques de la Brown School of Engineering de l'Université Rice ont découvert que le fait de placer des défauts spécifiques dans le réseau cristallin des cathodes à base de phosphate de fer et de lithium élargit les voies par lesquelles les ions lithium se déplacent. Leurs calculs théoriques pourraient améliorer les performances jusqu'à deux ordres de grandeur et ouvrir la voie à des améliorations similaires dans d'autres types de batteries.
Ces défauts, appelés antisites, se forment lorsque les atomes sont placés aux mauvaises positions sur le réseau, c'est-à-dire lorsque des atomes de fer siègent sur les sites qui devraient être occupés par le lithium. Les défauts antisites entravent le mouvement du lithium à l'intérieur du réseau cristallin et sont généralement considérés comme préjudiciables aux performances de la batterie.
Dans le cas du phosphate de fer et de lithium, cependant, les chercheurs de Rice ont découvert qu'ils créent de nombreux détours à l'intérieur de la cathode et permettent aux ions lithium d'atteindre le front de réaction sur une surface plus large, ce qui permet d'améliorer le taux de charge ou de décharge des batteries.
La recherche apparaît dans la revue Nature Matériaux de calcul .
Kaiqi Yang, étudiant diplômé de l'Université Rice, la gauche, et le scientifique des matériaux Ming Tang a modélisé comment les défauts d'ingénierie dans le réseau atomique d'une cathode en phosphate de fer peuvent améliorer les performances des batteries lithium-ion. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Le phosphate de fer et de lithium est un matériau cathodique largement utilisé pour les batteries lithium-ion et sert également de bon système modèle pour étudier la physique sous-jacente au processus de cyclage de la batterie, a déclaré le scientifique des matériaux de riz Ming Tang, qui a mené la recherche avec l'ancien élève Liang Hong, maintenant chercheur à MathWorks, et l'étudiant diplômé Kaiqi Yang.
Lors de l'insertion du lithium, la cathode passe d'une phase pauvre en lithium à une phase riche en lithium, dit Tang, professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie. Lorsque la cinétique de réaction de surface est lente, le lithium ne peut être inséré dans le phosphate de fer au lithium que dans une région de surface étroite autour de la limite de phase - la "route" - un phénomène qui limite la vitesse à laquelle la batterie peut se recharger.
"S'il n'y a pas de défauts, le lithium ne peut entrer que dans cette petite région juste autour de la limite de phase, " dit-il. " Cependant, les défauts antisites peuvent rendre l'insertion du lithium plus uniforme sur toute la surface, et ainsi la frontière se déplacerait plus rapidement et la batterie se chargerait plus rapidement.
"Si vous forcez la cathode sans défaut à se charger rapidement en appliquant une tension élevée, il y aura un flux local de lithium très élevé en surface et cela peut endommager la cathode, " at-il dit. " Ce problème peut être résolu en utilisant des défauts pour répartir le flux sur toute la surface de la cathode. "
Le recuit du matériau - chauffer sans le brûler - pourrait être utilisé pour contrôler la concentration des défauts. Tang a déclaré que les défauts permettraient également d'utiliser des particules de cathode plus grosses que des cristaux nanométriques pour aider à améliorer la densité énergétique et à réduire la dégradation de la surface.
"Une prédiction intéressante du modèle est que cette configuration optimale de défauts dépend de la forme des particules, " il a dit, "Nous avons vu que des facettes d'une certaine orientation pouvaient rendre les détours plus efficaces dans le transport des ions lithium. Par conséquent, vous voudrez avoir plus de ces facettes exposées sur la surface de la cathode."
Tang a déclaré que le modèle pourrait être appliqué en tant que stratégie générale pour améliorer les composés de batterie à changement de phase.
"Pour les matériaux de structure comme l'acier et la céramique, les gens jouent avec les défauts tout le temps pour rendre les matériaux plus solides, ", a-t-il déclaré. "Mais nous n'avons pas beaucoup parlé de l'utilisation de défauts pour fabriquer de meilleurs matériaux de batterie. D'habitude, les gens voient les défauts comme des désagréments à éliminer.
"Mais nous pensons que nous pouvons transformer les défauts en amis, pas des ennemis, pour un meilleur stockage de l'énergie."
