Une technologie prometteuse en cours de développement par les grands fabricants de batteries est devenue encore plus attractive, grâce aux chercheurs qui ont jeté un regard sans précédent sur un obstacle clé pour mieux, batteries lithium-ion plus durables.

Des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis rapportent de nouvelles découvertes sur la fabrication d'un monocristal, cathode riche en nickel plus résistante et plus efficace. Le travail de l'équipe sur la cathode, un composant essentiel des batteries lithium-ion qui sont courantes dans les véhicules électriques d'aujourd'hui, paraît dans le numéro du 11 décembre de la revue Science .

Des chercheurs du monde entier travaillent à créer des batteries qui fournissent plus d'énergie, durent plus longtemps et coûtent moins cher à produire. Les batteries lithium-ion améliorées sont essentielles pour une adoption plus large des véhicules électriques.

Les défis sont nombreux. L'apparence simple d'une batterie cache sa complexité, et le contrôle des interactions moléculaires complexes à l'intérieur est essentiel pour que l'appareil fonctionne correctement. Les réactions chimiques constantes font des ravages, limiter la durée de vie d'une batterie et influencer sa taille, coût et d'autres facteurs.

La promesse d'une cathode riche en nickel :Plus de capacité énergétique

Les scientifiques travaillent sur des moyens de stocker plus d'énergie dans les matériaux cathodiques en augmentant la teneur en nickel. Le nickel est sur la planche à dessin des fabricants de batteries lithium-ion en grande partie en raison de son coût relativement faible, large disponibilité et faible toxicité par rapport à d'autres matériaux de batterie clés, comme le cobalt.

"Les matériaux cathodiques riches en nickel ont un réel potentiel pour stocker plus d'énergie, " dit Jie Xiao, auteur correspondant de l'article et chef de groupe du programme de recherche sur les batteries du PNNL. "Mais le déploiement à grande échelle a été un défi."

Alors que le nickel est très prometteur, en grande quantité, il peut poser des problèmes dans les batteries. Plus il y a de nickel dans le réseau du matériau, moins la cathode est stable. Une teneur élevée en nickel peut augmenter les réactions secondaires indésirables, endommager le matériau et rendre le stockage et la manipulation très difficiles.

Exploiter tous les avantages de plus de nickel tout en minimisant les inconvénients pose un défi.

Actuellement, la cathode riche en nickel la plus courante se présente sous la forme de polycristaux, des agrégats de nombreux nanocristaux dans une particule plus grosse. Ceux-ci présentent des avantages pour stocker et décharger l'énergie plus rapidement. Mais les polycristaux se décomposent parfois lors de cycles répétés. Cela peut laisser une grande partie de la surface exposée à l'électrolyte, accélérer les réactions chimiques indésirables induites par une teneur élevée en nickel et générer du gaz. Ces dommages irréversibles se traduisent par une batterie avec une cathode riche en nickel qui tombe en panne plus rapidement et soulève des problèmes de sécurité.

De monocristaux, glaçons et batteries lithium-ion

Des scientifiques comme Xiao essaient de contourner bon nombre de ces problèmes en créant un monocristal, cathode riche en nickel. Les chercheurs du PNNL ont développé un procédé pour faire croître des cristaux haute performance dans des sels fondus :chlorure de sodium, sel de table commun—à haute température.

Quel est l'avantage d'un monocristal par rapport à un matériau polycristallin ? Pensez à garder votre nourriture au frais pendant que vous campez. Un bloc de glace solide fond beaucoup plus lentement que la même quantité de glace qui se présente sous forme de petits cubes; le bloc de glace est plus résistant aux dommages causés par des températures plus élevées et d'autres forces extérieures.

C'est similaire avec les cathodes riches en nickel :un agrégat de petits cristaux est beaucoup plus vulnérable à son environnement qu'un monocristal dans certaines conditions, surtout quand il y a une forte teneur en nickel, puisque le nickel est susceptible d'induire des réactions chimiques indésirables. Heures supplémentaires, avec des cycles de batterie répétés, les granulats sont finalement pulvérisés, ruiner la structure de la cathode. Ce n'est pas tellement un problème lorsque la quantité de nickel dans la cathode est plus faible; dans de telles conditions, une cathode polycristalline contenant du nickel offre une puissance et une stabilité élevées. Le problème s'accentue, bien que, lorsque les scientifiques créent une cathode avec plus de nickel, une cathode vraiment riche en nickel.

Microfissures cathodiques réversibles, évitable

L'équipe du PNNL a découvert une raison pour laquelle un monocristal, la cathode riche en nickel tombe en panne :c'est dû à un processus connu sous le nom de glissement de cristal, où un cristal commence à se briser, conduisant à des microfissures. Ils ont découvert que la glisse est partiellement réversible dans certaines conditions et ont proposé des moyens d'éviter complètement les dommages.

"Avec la nouvelle compréhension fondamentale, nous pourrons empêcher le glissement et les microfissures dans le monocristal. Ceci est différent des dommages sous la forme polycristalline, où les particules sont pulvérisées dans un processus qui n'est pas réversible, " dit Xiao.

Il s'avère que les mouvements de glissement dans les couches de réseau du cristal sont à l'origine des microfissures. Les couches vont et viennent, comme des cartes dans un jeu lorsqu'elles sont mélangées. Le glissement se produit lorsque la batterie se charge et se décharge - les ions lithium partent et retournent à la cathode, tendre le cristal très légèrement à chaque fois. Sur de nombreux cycles, le glissement répété entraîne des microfissures.

L'équipe de Xiao a appris que le processus peut partiellement s'inverser grâce aux actions naturelles des atomes de lithium, qui créent des contraintes dans une direction lorsque les ions pénètrent dans le réseau cristallin et dans la direction opposée lorsqu'ils en sortent. Mais les deux actions ne s'annulent pas complètement, et au fil du temps, des microfissures se produiront. C'est pourquoi les monocristaux échouent finalement, bien qu'ils ne se décomposent pas en petites particules comme leurs homologues polycristallins.

L'équipe poursuit plusieurs stratégies pour empêcher le vol plané. Les chercheurs ont découvert que le fonctionnement de la batterie à une tension commune (environ 4,2 volts) minimise les dommages tout en restant dans la plage normale des batteries lithium-ion pour véhicules électriques. L'équipe prédit également que le maintien de la taille d'un monocristal en dessous de 3,5 microns peut éviter des dommages même à des tensions plus élevées. Et l'équipe explore des moyens de stabiliser le réseau cristallin pour mieux s'adapter à l'arrivée et au départ des ions lithium.

L'équipe estime que le monocristal, La cathode riche en nickel contient au moins 25 % d'énergie en plus par rapport aux batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques d'aujourd'hui.

Maintenant, Les chercheurs du PNNL dirigés par Xiao travaillent avec Albemarle Corporation, une grande entreprise de fabrication de produits chimiques spécialisés et l'un des principaux producteurs mondiaux de lithium pour les batteries de véhicules électriques. Dans une collaboration financée par le DOE, l'équipe étudiera les impacts des sels de lithium avancés sur les performances des matériaux cathodiques monocristallins riches en nickel en démontrant le processus à l'échelle du kilogramme.