Une équipe de recherche composée de l'Institut national pour la science des matériaux (NIMS) et de SoftBank Corp. a découvert que l'hystérésis de tension dans Li2 RuO3 -un matériau de cathode de batterie rechargeable à haute densité énergétique-est dû aux différences dans les phases cristallines intermédiaires formées pendant les processus de charge et de décharge. L'étude est publiée dans Energy Storage Materials .
L'hystérésis de tension est un phénomène préjudiciable aux batteries lithium (Li)-ion dans lequel la tension de décharge devient nettement inférieure à la tension de charge. Ces résultats ont révélé un mécanisme provoquant une hystérésis de tension incompatible avec la théorie conventionnelle.
Les matériaux d'électrode riches en Li sont capables de stocker de plus grandes quantités d'ions Li que les matériaux cathodiques de batteries Li-ion classiques (par exemple, LiCoO2 ), et les ions Li peuvent en être extraits et insérés de manière stable. De plus, la capacité énergétique de ces matériaux (> 300 mAh/g) est environ deux fois supérieure à celle des matériaux cathodiques classiques.
En raison de ces caractéristiques souhaitables, les matériaux d’électrode riches en Li ont été étudiés comme candidats viables pour les matériaux cathodiques de batterie Li-ion à haute densité énergétique de nouvelle génération. Cependant, ils présentent également un inconvénient :une mauvaise efficacité énergétique de charge/décharge en raison d'une hystérésis de tension importante se produisant pendant la charge et la décharge.
Il a été largement admis par la communauté scientifique que l'hystérésis de tension dans les matériaux d'électrodes riches en Li résulte de changements irréversibles dans leurs structures cristallines pendant la charge et la décharge. Cette équipe de recherche s'est concentrée sur Li2 RuO3 comme matériau d'électrode modèle riche en Li et j'ai observé de près les changements dans sa structure cristalline pendant sa charge et sa décharge.
Il a été constaté que sa structure cristalline changeait de manière réversible et non irréversible :elle avait retrouvé sa structure cristalline initiale avant la charge à la fin de la décharge suivante. Au cours de ce cycle de charge/décharge, une hystérésis de tension a été observée dans Li2 RuO3 malgré l'absence de changements irréversibles dans la structure cristalline, un résultat contraire à la théorie conventionnelle.
L'équipe a ensuite analysé de près les changements de structure cristalline dans un Li2 RuO3 électrode pendant qu’elle était chargée et déchargée à l’aide de divers instruments analytiques avancés. Ces analyses ont révélé une divergence dans la phase cristalline intermédiaire formée pendant les processus de charge et de décharge, provoquant l'hystérésis de tension. En d'autres termes, l'hystérésis de tension au sein d'un matériau d'électrode riche en Li semble être attribuée à différentes voies de réaction plutôt qu'à des changements irréversibles de la structure cristalline.
Sur la base de ces résultats, l’équipe de recherche prévoit d’évaluer les matériaux d’électrodes riches en Li tout en se concentrant sur les voies de réaction chimique pendant les cycles de charge et de décharge, en plus de mesurer l’hystérésis de tension. Cette approche devrait accélérer le développement de matériaux d'électrode riches en Li qui satisferont à la fois aux exigences de haute capacité et d'efficacité énergétique de charge/décharge élevée.
Plus d'informations : Marcela Calpa et al, Hystérésis de tension cachée dans une voie de réaction asymétrique, Matériaux de stockage d'énergie (2023). DOI :10.1016/j.ensm.2023.103051
Fourni par l'Institut national pour la science des matériaux
