Les batteries lithium-ion (LIB) qui fonctionnent comme des sources d'énergie haute performance pour les applications renouvelables, tels que les véhicules électriques et l'électronique grand public, nécessitent des électrodes qui fournissent une densité d'énergie élevée sans compromettre la durée de vie des cellules.

Dans le Journal de la science et de la technologie du vide A , les chercheurs étudient les origines de la dégradation des matériaux cathodiques LIB à haute densité d'énergie et développent des stratégies pour atténuer ces mécanismes de dégradation et améliorer les performances du LIB.

Leurs recherches pourraient être précieuses pour de nombreuses applications émergentes, en particulier les véhicules électriques et le stockage d'énergie au niveau du réseau pour les sources d'énergie renouvelables, comme l'éolien et le solaire.

"La plupart des mécanismes de dégradation dans les LIB se produisent sur les surfaces des électrodes qui sont en contact avec l'électrolyte, " a déclaré l'auteur Mark Hersam. " Nous avons cherché à comprendre la chimie de ces surfaces, puis à développer des stratégies pour minimiser la dégradation. "

Les chercheurs ont utilisé la caractérisation chimique de surface comme stratégie pour identifier et minimiser les impuretés résiduelles d'hydroxyde et de carbonate provenant de la synthèse de NCA (nickel, cobalt, aluminium) nanoparticules. Ils ont réalisé que les surfaces des cathodes LIB devaient d'abord être préparées par un recuit approprié, un procédé par lequel les nanoparticules cathodiques sont chauffées pour éliminer les impuretés de surface, puis verrouillé dans les structures souhaitables avec un revêtement de graphène atomiquement mince.

Les nanoparticules de NCA recouvertes de graphène, qui ont été formulées en cathodes LIB, a montré des propriétés électrochimiques superlatives, y compris la basse impédance, performances à haut débit, des densités d'énergie et de puissance volumétriques élevées, et de longues durées de vie en cyclage. Le revêtement de graphène a également agi comme une barrière entre la surface de l'électrode et l'électrolyte, ce qui a encore amélioré la durée de vie des cellules.

Alors que les chercheurs pensaient que le revêtement de graphène à lui seul suffirait à améliorer les performances, leurs résultats ont révélé l'importance du pré-recuit des matériaux cathodiques afin d'optimiser leur chimie de surface avant l'application du revêtement de graphène.

Alors que ces travaux se sont concentrés sur les cathodes LIB riches en nickel, la méthodologie pourrait être généralisée à d'autres électrodes de stockage d'énergie, comme les batteries sodium-ion ou magnésium-ion, qui incorporent des matériaux nanostructurés possédant une grande surface spécifique. Par conséquent, ce travail établit une voie claire pour la réalisation de hautes performances, dispositifs de stockage d'énergie à base de nanoparticules.

"Notre approche peut également être appliquée pour améliorer les performances des anodes dans les LIB et les technologies de stockage d'énergie associées, " dit Hersam. " En fin de compte, vous devez optimiser à la fois l'anode et la cathode pour obtenir les meilleures performances de batterie possibles."