Dans un article publié dans Nature Materials , une équipe de chercheurs de la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering a jeté un nouvel éclairage sur ce mystère. En recherchant des matériaux cathodiques au lithium pour le stockage des batteries, une équipe du Liu Lab a montré qu'il existe une voie générale pour l'échange d'ions lithium et sodium dans les matériaux cathodiques d'oxyde en couches.

"Nous avons systématiquement exploré le processus d'échange d'ions dans le lithium et le sodium", a déclaré le premier auteur Yu Han, titulaire d'un doctorat. candidat à PME. "La voie d'échange d'ions que nous avons révélée est nouvelle."

En expliquant le fonctionnement du processus d'échange d'ions, cet article ouvre les portes aux chercheurs travaillant avec des matériaux métastables, c'est-à-dire des matériaux qui ne sont pas actuellement sous leurs formes les plus stables possibles. Cela peut également conduire à de nouvelles innovations dans une fabrication efficace sur le plan atomique, utilisant moins de précurseurs de départ et générant moins de déchets lors de la synthèse de matériaux.

"Cela élargira la famille des matériaux métastables que les gens peuvent synthétiser", a déclaré PME Asst. Professeur Chong Liu.

Nouvelles méthodes

Bien que les applications potentielles trouvent un écho dans la synthèse des matériaux, l’article a commencé par examiner la production de lithium pour les cathodes de batteries. Alors que le changement climatique éloigne le monde des combustibles fossiles, des batteries plus nombreuses et de meilleure qualité sont nécessaires pour stocker l'énergie renouvelable.

"L'ancienne méthode de synthèse à l'état solide consistait à choisir du sel contenant les éléments que vous souhaitez synthétiser. Ensuite, vous les combinez avec le bon rapport de chacun des éléments", a déclaré Liu. "Alors tu le brûles."

Cependant, brûler les précurseurs du lithium à une température de 800 à 900 degrés Celsius est plus efficace lorsque l’on travaille avec des matériaux stables. Dans les cas où la forme métastable avait des propriétés intéressantes qui pourraient théoriquement constituer d'excellentes cathodes de batterie, les températures élevées poussaient les matériaux dans un nouvel état plus stable, mais souvent dépourvu de propriétés intéressantes.

L'échange d'ions, cependant, est une méthode de synthèse qui peut être réalisée à température ambiante ou à des températures relativement basses de 100 degrés Celsius.

"L'échange d'ions à température ambiante nous permet d'accéder à ces oxydes en couches métastables, qui ne pourraient pas être directement synthétisés par synthèse à l'état solide à température élevée, mais pourraient être dotés de propriétés chimiques et physiques uniques", a déclaré Han.

Lors de l'échange d'ions, les sels ne sont pas brûlés mais dissous, permettant aux ions ayant la même charge de remplacer les ions indésirables. Il permet aux chercheurs de varier la composition chimique tout en conservant une structure solide :seuls les ions sont remplacés. Mais cela aussi avait ses inconvénients. Le processus a toujours été gourmand en ressources et repose sur des essais et des erreurs.

Les conclusions de l'article de l'équipe PME permettront aux chercheurs de prédire non seulement les compositions et phases finales, mais également les états intermédiaires pour cartographier les voies cinétiques.

Les chercheurs du PME ont déjà mis en pratique leurs connaissances sur les voies d'échange d'ions, créant ce que Han a appelé « un moyen très efficace » de synthétiser du lithium (Li) à partir de sodium (Na) et inversement. L'article démontre pour la première fois la synthèse d'oxyde de cobalt de sodium en phase pure à partir de l'oxyde de cobalt de lithium parent et également d'oxyde de cobalt de lithium à partir d'oxyde de cobalt de sodium à 1-1 000 Li-Na (rapport molaire) avec une méthode d'échange d'ions assisté électrochimique en atténuant le barrières cinétiques.

L'équipe espère que les futurs innovateurs iront plus loin, en créant des processus plus efficaces et moins coûteux pour synthétiser les matériaux dont l'humanité a besoin pour faire face au changement climatique ou à d'autres besoins mondiaux urgents.

"Aujourd'hui, dans le secteur manufacturier, les gens mettent l'accent sur l'efficacité atomique, ce qui signifie utiliser le moins de matériaux possible pour obtenir ce que l'on veut", a déclaré Liu.