Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et des institutions coopérantes ont étudié les changements structurels lors de la synthèse de matériaux cathodiques pour les futures batteries lithium-ion à haute énergie et ont obtenu de nouvelles découvertes majeures sur les mécanismes de dégradation. Ces découvertes pourraient contribuer au développement de batteries de capacité bien supérieure, ce qui augmenterait alors l'autonomie des véhicules électriques. Les résultats sont rapportés dans Communication Nature .

Jusque là, la percée de la mobilité électrique a été entravée par des autonomies de véhicules insuffisantes, entre autres. Des batteries lithium-ion à capacité de charge accrue peuvent être utiles. "Nous sommes en train de développer de tels systèmes à haute énergie, " dit le professeur Helmut Ehrenberg, Responsable de l'Institut des Matériaux Appliqués - Systèmes de Stockage d'Energie (IAM-ESS). "Basé sur une compréhension fondamentale des processus électrochimiques dans les batteries et par l'utilisation innovante de nouveaux matériaux, La capacité de stockage des batteries lithium-ion peut être augmentée jusqu'à 30 % selon nous." Chez KIT, cette recherche est menée au Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe (CELEST), la plus grande plate-forme de recherche allemande pour le stockage électrochimique de l'énergie. Ehrenberg est porte-parole adjoint du CELEST.

La technologie lithium-ion à haute énergie se distingue de la technologie conventionnelle par un matériau de cathode spécifique. Au lieu d'oxydes stratifiés avec des rapports variables de nickel, manganèse, et le cobalt qui ont été utilisés jusqu'à présent, des matériaux riches en manganèse avec un excès de lithium sont appliqués, qui améliorent considérablement la capacité de stockage d'énergie par volume/masse de matériau cathodique. Cependant, l'utilisation de ces matériaux a été associée à un problème jusqu'à présent.

Lors de l'insertion et de l'extraction des ions lithium, c'est à dire., fonctionnement de base d'une batterie, le matériau cathodique à haute énergie se dégrade. Au bout d'un certain temps, l'oxyde en couches se transforme en une structure cristalline aux propriétés électrochimiques très défavorables. Comme conséquence indésirable, la tension moyenne de charge et de décharge diminue dès le début du processus, ce qui a empêché jusqu'à présent le développement de batteries lithium-ion adaptées à haute énergie.

Nouvelles découvertes sur la dégradation

Le mécanisme exact de dégradation était loin d'être complètement compris. Une équipe de chercheurs du KIT et des institutions coopérantes a maintenant décrit le mécanisme de base dans Communication Nature :"Sur la base d'études détaillées du matériau cathodique à haute énergie, nous avons constaté que la dégradation n'a pas lieu directement, mais indirectement via la formation d'une structure de sel gemme contenant du lithium jusqu'à présent peu remarquée, " dit Weibo Hua (IAM-ESS), l'un des principaux auteurs de l'étude. "En outre, l'oxygène joue un rôle important dans les réactions." En dehors de ces résultats, l'étude révèle également que les nouvelles découvertes sur le comportement d'une technologie de batterie ne doivent pas nécessairement résulter directement du processus de dégradation. Weibo et les autres scientifiques impliqués ont fait leur découverte dans des études menées lors de la synthèse du matériau cathodique.

Ces découvertes de KIT marquent une étape importante sur la voie des batteries lithium-ion à haute énergie pour les voitures électriques. Ils permettent de tester de nouvelles approches pour minimiser la dégradation des oxydes en couches et démarrer le développement proprement dit de ce nouveau type de batterie.