Dans les années récentes, les batteries au lithium sont devenues largement utilisées pour alimenter une large gamme d'appareils électroniques, y compris les comprimés, téléphones intelligents et ordinateurs portables. Ces batteries ont des compartiments différents, appelées cellules, dont chacun contient une électrode positive et une électrode négative séparées par un produit chimique appelé électrolyte.

Les électrodes positives sont généralement composées de composés de lithium, comme LiCoO 2 ou LiFePO 4 , tandis que les électrodes négatives sont généralement en carbone. L'électrolyte qui les sépare, d'autre part, peut être constitué de diverses substances chimiques.

Compte tenu de la croissance rapide de l'utilisation des batteries lithium-ion, des chercheurs du monde entier ont essayé d'identifier des matériaux qui pourraient augmenter leur efficacité et leurs performances. Idéalement, ces matériaux doivent contenir des éléments abondants sur la planète et avoir une densité énergétique élevée.

Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley et du laboratoire national Lawrence Berkeley ont récemment introduit une nouvelle stratégie de conception de matériaux d'électrode pour batteries à base de lithium avec une puissance et une densité d'énergie remarquablement élevées. Cette stratégie, décrit dans un article publié dans Énergie naturelle , implique l'utilisation de deux oxyfluorures en vrac avec un ordre partiel de type spinelle, à savoir Li 1,68 Mn 1.6 O 3.7 F 0,3 et Li 1,68 Mn 1.6 O 3.4 F 0,6 . Les chercheurs ont synthétisé ces deux oxyfluorures à l'aide d'une technique connue sous le nom d'alliage mécanochimique.

"Nous montrons que la combinaison d'un ordre partiel de cations de type spinelle et d'un excès de lithium substantiel permet un stockage d'énergie à la fois dense et rapide, " les chercheurs ont écrit dans leur article. " La surstoechiométrie des cations et l'ordre partiel qui en résulte sont utilisés pour éliminer les transitions de phase typiques des spinelles ordonnés et permettre une plus grande capacité pratique, tandis que l'excès de lithium est utilisé en synergie avec la substitution du fluor pour créer une mobilité élevée du lithium."

L'approche de conception de matériaux cathodiques introduite par les chercheurs s'est jusqu'à présent révélée très prometteuse. Dans une série d'expériences préliminaires, les cathodes résultantes ont atteint des énergies remarquables de plus de 1, 100 Whkg ^-1 , taux de décharge jusqu'à 20 A g ^-1 et une capacité supérieure à 360 mA h g ^-1 , , qui est parmi les plus élevés signalés à ce jour. De plus, une grande partie de cette capacité a été maintenue dans le temps, même lorsque les batteries ont été rechargées plusieurs fois.

De façon intéressante, près de la moitié de la capacité résultait d'un processus connu sous le nom d'oxydoréduction d'oxygène (c'est-à-dire, oxydation réduction). Alors que ce phénomène a été largement étudié dans les oxydes Ni-Mn-Co en couches riches en Li ou dans les sels minéraux désordonnés, elle a rarement été observée dans des cathodes de type spinelle telles que celles synthétisées par les chercheurs.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont également pu optimiser la surstoechiométrie cationique et l'excès de Li, deux qualités chimiques qui peuvent aider à ajuster la structure des matériaux d'électrode. Cela leur a permis d'obtenir un certain nombre de caractéristiques de cathode souhaitables, telles qu'une cinétique de transport rapide du Li et d'excellents profils de tension.

À l'avenir, la stratégie de conception pourrait servir de ligne directrice pour la réalisation de matériaux cathodiques pour batteries à base de lithium avec des densités de puissance et d'énergie élevées. De plus, les deux oxyfluorures synthétisés dans leur étude pourraient être utilisés pour créer de nouveaux, batteries très performantes.

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