La substitution du matériau cathodique par de l'oxygène et du cobalt empêche le lithium de rompre les liaisons chimiques et préserve la structure du matériau. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Comme la demande de smartphones, véhicules électriques, et les énergies renouvelables continuent d'augmenter, les scientifiques recherchent des moyens d'améliorer les batteries lithium-ion, le type de batterie le plus courant dans l'électronique domestique et une solution prometteuse pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. L'augmentation de la densité énergétique des batteries lithium-ion pourrait faciliter le développement de technologies avancées avec des batteries de longue durée, ainsi que l'utilisation généralisée de l'énergie éolienne et solaire. Maintenant, les chercheurs ont fait des progrès significatifs vers la réalisation de cet objectif.
Une collaboration menée par des scientifiques de l'Université du Maryland (UMD), le laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), et le laboratoire de recherche de l'armée américaine ont développé et étudié un nouveau matériau de cathode qui pourrait tripler la densité énergétique des électrodes des batteries lithium-ion. Leur recherche a été publiée le 13 juin dans Communication Nature .
"Les batteries lithium-ion sont constituées d'une anode et d'une cathode, " a déclaré Xiulin Fan, un scientifique de l'UMD et l'un des principaux auteurs de l'article. « Par rapport à la grande capacité des anodes en graphite commerciales utilisées dans les batteries lithium-ion, la capacité des cathodes est beaucoup plus limitée. Les matériaux cathodiques sont toujours le goulot d'étranglement pour améliorer encore la densité énergétique des batteries lithium-ion. »
Les scientifiques de l'UMD ont synthétisé un nouveau matériau de cathode, une forme modifiée et fabriquée de trifluorure de fer (FeF3), qui est composé d'éléments économiques et sans danger pour l'environnement :le fer et le fluor. Les chercheurs se sont intéressés à l'utilisation de composés chimiques tels que le FeF3 dans les batteries lithium-ion, car ils offrent des capacités intrinsèquement plus élevées que les matériaux cathodiques traditionnels.
"Les matériaux normalement utilisés dans les batteries lithium-ion sont basés sur la chimie d'intercalation, " dit Enyuan Hu, un chimiste à Brookhaven et l'un des principaux auteurs de l'article. « Ce type de réaction chimique est très efficace; cependant, il ne transfère qu'un seul électron, la capacité cathodique est donc limitée. Certains composés comme FeF3 sont capables de transférer plusieurs électrons via un mécanisme de réaction plus complexe, appelé une réaction de conversion.
Les scientifiques de Brookhaven sont présentés au Center for Functional Nanomaterials. Sur la photo de gauche à droite :(rangée du haut) Jianming Bai, Seongmin Bak, et Sooyeon Hwang; (rangée du bas) Dong Su et Enyuan Hu. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Malgré le potentiel de FeF3 pour augmenter la capacité cathodique, le composé n'a pas toujours bien fonctionné dans les batteries lithium-ion en raison de trois complications avec sa réaction de conversion :une faible efficacité énergétique (hystérésis), une vitesse de réaction lente, et les réactions secondaires qui peuvent entraîner une mauvaise durée de vie du vélo. Pour surmonter ces défis, les scientifiques ont ajouté des atomes de cobalt et d'oxygène aux nanotiges de FeF3 par le biais d'un processus appelé substitution chimique. Cela a permis aux scientifiques de manipuler la voie de réaction et de la rendre plus "réversible".
"Lorsque des ions lithium sont insérés dans FeF3, le matériau est converti en fer et fluorure de lithium, " a déclaré Sooyeon Hwang, un co-auteur de l'article et un scientifique du Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Toutefois, la réaction n'est pas totalement réversible. Après substitution par du cobalt et de l'oxygène, la charpente principale du matériau cathodique est mieux maintenue et la réaction devient plus réversible."
Pour étudier la voie de réaction, les scientifiques ont mené plusieurs expériences au CFN et à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven.
D'abord au CFN, les chercheurs ont utilisé un puissant faisceau d'électrons pour examiner les nanotiges de FeF3 à une résolution de 0,1 nanomètre, une technique appelée microscopie électronique à transmission (MET). L'expérience MET a permis aux chercheurs de déterminer la taille exacte des nanoparticules dans la structure de la cathode et d'analyser comment la structure a changé entre les différentes phases du processus de charge-décharge. Ils ont constaté une vitesse de réaction plus rapide pour les nanotiges substituées.
"Le MET est un outil puissant pour caractériser les matériaux à de très petites échelles de longueur, et il est également capable d'étudier le processus de réaction en temps réel, " dit Dong Su, scientifique au CFN et co-auteur de l'étude. "Toutefois, nous ne pouvons voir qu'une zone très limitée de l'échantillon en utilisant la MET. Nous devions nous appuyer sur les techniques synchrotron de NSLS-II pour comprendre le fonctionnement de l'ensemble de la batterie."
L'équipe de l'Université du Maryland, sur la photo de gauche à droite :Xiulin Fan, Xiao Ji, Fudong Han, et Zhaohui Ma. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Sur la ligne de lumière de diffraction des rayons X sur poudre (XPD) de NSLS-II, les scientifiques ont dirigé des rayons X ultra-lumineux à travers le matériau de la cathode. En analysant la diffusion de la lumière, les scientifiques pouvaient « voir » des informations supplémentaires sur la structure du matériau.
« Chez XPD, nous avons effectué des mesures de fonction de distribution de paires (PDF), capables de détecter des commandes de fer locales sur un grand volume, " dit Jianming Bai, un co-auteur de l'article et un scientifique à NSLS-II. "L'analyse PDF sur les cathodes déchargées a clairement révélé que la substitution chimique favorise la réversibilité électrochimique."
La combinaison de techniques d'imagerie et de microscopie très avancées au CFN et au NSLS-II a été une étape critique pour évaluer la fonctionnalité du matériau de la cathode.
"Nous avons également effectué des approches informatiques avancées basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité pour déchiffrer le mécanisme de réaction à l'échelle atomique, " dit Xiao Ji, scientifique à l'UMD et co-auteur de l'article. "Cette approche a révélé que la substitution chimique a déplacé la réaction vers un état hautement réversible en réduisant la taille des particules de fer et en stabilisant la phase de sel gemme." Les scientifiques de l'UMD disent que cette stratégie de recherche pourrait être appliquée à d'autres matériaux de conversion à haute énergie, et des études futures pourraient utiliser cette approche pour améliorer d'autres systèmes de batteries.
