Un consensus sur la nécessité de remplacer les combustibles fossiles par des sources d'énergie renouvelables a été atteint, la majorité des pays du monde s'engageant à atteindre la neutralité carbone avant 2050. Cela impliquera une réduction du CO₂ émissions et l'augmentation de la proportion de sources d'énergie renouvelables telles que les systèmes de batteries rechargeables, telles que les batteries Li-ion, qui ont reçu une attention considérable de la part de l'industrie et du milieu universitaire. Pourtant, les défis liés au développement de LIB de nouvelle génération avec des performances améliorées demeurent en raison des limitations de performances des matériaux d'électrode actuellement utilisés. Pour son doctorat. recherche, Ming Jiang a examiné la conception des matériaux d'électrode et les mécanismes de dégradation dans les batteries à base de cathode riche en nickel.

Le goulot d'étranglement pour augmenter la densité d'énergie des batteries Li-ion (LIB) est le matériau de la cathode de la batterie. Par exemple, les oxydes de métaux de transition riches en Ni (riches en nickel) en couches ont une densité d'énergie relativement élevée mais souffrent d'une mauvaise stabilité au cyclage. L'instabilité des LIB à base de cathode riche en Ni est associée à diverses réactions passives se produisant à l'intérieur des batteries.

Morphologie des nanostructures

Les stratégies d'optimisation des matériaux peuvent atténuer ces inconvénients. Pour son doctorat. recherche, Ming Jiang a examiné la conception des matériaux d'électrode et les mécanismes de dégradation des batteries à base de cathode riches en Ni. Des cathodes NCM riches en Ni et des anodes Li-métal avec des performances de batterie supérieures sont obtenues grâce à ces nouvelles stratégies d'optimisation. Les phénomènes de dégradation correspondants sont étudiés et des mécanismes détaillés sont identifiés.

Jiang a conçu un matériau de cathode riche en Ni optimisé avec une morphologie de nanostructure. Avec cette conception, la stabilité de la batterie et la cinétique de transport Li-ion sont améliorées grâce à une méthode de fabrication unique. D'autres caractérisations affirment un taux d'exposition élevé de facettes cristallines spécifiques, ce qui est bénéfique pour la diffusion Li-ion et l'intégrité structurelle pendant le cycle. De plus, la capacité de charge rapide améliorée a également été réalisée grâce à la morphologie bien conçue, suggérant un potentiel pratique du matériau proposé.

Processus de détérioration

En plus de la synthèse de nouveaux matériaux, Jiang a étudié les processus de détérioration des systèmes de batterie, car cela est essentiel pour stimuler le développement des LIB. Plusieurs réactions passives se produisent simultanément dans une batterie, telles que la dissolution de la cathode, la formation d'interphase d'électrolyte solide et la micro-fissuration. Ces réactions secondaires consomment des Li-ions actifs et des matériaux d'électrode, ce qui finit par dégrader la capacité de la batterie.

Chaque partie d'un système de batterie peut participer à des réactions passives, y compris les matériaux d'électrode, les liants, le carbone conducteur et d'autres additifs. Cependant, il est difficile de séparer chaque pièce lors d'une étude post-mortem pour une configuration de batterie classique. Par conséquent, Jiang a proposé une cathode à couche mince avec une structure simplifiée pour l'étude de la dégradation dans le système de batterie à cathode riche en Ni. Avec la technique de profilage en profondeur, la composition de la couche passive et le mécanisme de déclin des performances ont été étudiés en détail. La fonction du revêtement de la couche protectrice sur la cathode riche en Ni a également été étudiée.

En plus d'étudier le matériau de la cathode, Jiang a également exploré la modification de surface de l'anode Li-métal dans les LIB à base de cathode riche en Ni. Une couche de revêtement protecteur est introduite pour stabiliser le processus de placage/décapage du lithium pendant le cyclage. Cela permet de prolonger la durée de vie de la batterie et d'atténuer la formation d'une couche passive sur la surface de l'anode. Les caractérisations post-mortem révèlent les différents processus de détérioration pour diverses anodes Li-métal, et le mécanisme de dégradation possible est étudié dans la recherche. + Explorer plus loin

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