Oxyde de métal de transition riche en lithium (Li 1+X M 1 FOIS O 2 ) les cathodes peuvent être utilisées dans les batteries Li-ion, alimenter des appareils électroniques et des véhicules électriques. Ces cathodes ont une densité d'énergie élevée, généralement au-dessus de 900 Wh kg ^-1 , pourtant, ils présentent également actuellement des limitations importantes.

Le problème le plus crucial observé dans la plupart des cathodes riches en Li est qu'elles libèrent de l'oxygène aux électrolytes, Et ainsi, leur tension décroît pendant leur utilisation. Cette limitation importante a empêché leur utilisation généralisée pendant des années.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment mis au point une stratégie qui pourrait aider à surmonter ce problème, immunisant les particules de cathode d'oxyde riche en Li contre la libération d'oxygène. Cette nouvelle stratégie, décrit dans un article publié dans Énergie naturelle , implique un traitement au sel fondu qui élimine la libération d'oxygène des monocristaux riches en Li vers les électrolytes en rendant la région de surface pauvre en Li, tout en permettant des contributions redox stables de l'oxygène à l'intérieur des particules.

"Notre objectif principal était d'utiliser la capacité de l'oxygène pour les réactions redox sans produire les ions d'oxygène réduits (c'est-à-dire, « peroxo » et « superoxo »-like) mobile dans le monde entier, ce qui signifie qu'ils peuvent s'échapper de la surface des particules cathodiques et réagir avec l'électrolyte à l'intérieur d'une batterie, " Ju Li, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore.

Les ions d'oxygène réduits à l'intérieur des cathodes riches en Li ressemblent quelque peu aux complexes métal-peroxo et métal-superoxo; composés par lesquels le sang transporte l'oxygène chez les animaux. Le peroxo (O ^- ) et superoxo (O ^0.5- ) espèces, tout en contribuant à la capacité, ont une mobilité beaucoup plus élevée que la norme O ^2- . Dans Li 1+X M 1 FOIS O 2 cathodes. Ces ions d'oxygène peuvent se déplacer librement et finalement s'échapper des particules cathodiques, réagir avec et contaminer l'électrolyte liquide.

Pour éviter que cela ne se produise, Li et ses collègues ont mis en œuvre un traitement impliquant l'extraction d'oxyde de lithium (LiO) à l'aide de sel de molybdate fondu à haute température. Ils ont constaté que ce traitement permet à la surface de gagner la composition Li 1 FOIS' M 1+X' O 2 sans perturber la continuité du réseau ni créer de défauts en excès (épitaxie), éliminant ainsi le peroxo (O ^- ) et superoxo (O ^0.5- ) espèces près de la surface, empêchant les monocristaux riches en Li de libérer de l'oxygène vers les électrolytes.

"Nous avons effectué un traitement vaccinal, ainsi, des régions de surface d'environ ~ 10 nm d'épaisseur sont appauvries en oxygène, et serait donc extra stable en cycle de batterie, " a dit Li. " Le traitement d'immunisation a été effectué à une température élevée de 700°C, Ainsi, au fur et à mesure que nous extrayons l'oxygène et le lithium, le réseau se répare par recuit thermique et passe en douceur de Li-riche à Li-pauvre, sans défauts supplémentaires et sans perdre la parfaite cohérence de réseau de la particule monocristalline."

La stratégie d'immunisation conçue par Li et ses collègues n'affecte pas les états de valence des métaux et la structure des cristaux riches en Li à l'intérieur de la cathode, maintenant ainsi un oxygène anion-redox stable (O ^2- O ^- ) contribution à la capacité pendant le fonctionnement d'une batterie. Dans des tests évaluant leur stratégie, les chercheurs ont découvert qu'il en résultait une cathode hybride à gradient d'anions et de cations redox (HACR) avec une densité spécifique ou 843 Wh kg ^-1 après 200 cycles à 0.2C et 808 Wh kg ^-1 après 100 cycles à 1C, avec une libération d'oxygène minimale et donc une consommation réduite de l'électrolyte dans la batterie.

"Notre étude prouve que le cycle d'une batterie pleine cellule avec très peu d'électrolyte (niveau industriel de 2g(électrolyte)/Ah) est possible, indiquant que nous avons arrêté la perte d'oxygène tout en utilisant la capacité redox de l'oxygène, ", a déclaré Li. "Ce concept de batterie "à oxygène solide" a le potentiel de doubler la densité d'énergie des cathodes."

En réduisant la libération d'oxygène typiquement observée dans les cathodes riches en Li, la stratégie imaginée par Li et ses collègues pourrait à terme faciliter la commercialisation et l'utilisation généralisée des batteries au lithium alimentées par ces cathodes. De façon intéressante, le traitement vaccinal décrit dans leur étude pourrait également être appliqué à d'autres éléments, aider à supprimer ou à prévenir les réactions de surface inattendues dans les batteries. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'intensifier la synthèse dans la batterie à cathode riche en Li et d'améliorer encore la densité comprimée des cathodes HACR.

© 2020 Réseau Science X