Des chercheurs de l'Université de Californie à Irvine et de quatre laboratoires nationaux ont mis au point un moyen de fabriquer des cathodes de batterie lithium-ion sans utiliser de cobalt, un minéral en proie à la volatilité des prix et aux complications géopolitiques.

Dans un article publié aujourd'hui dans Nature , les scientifiques décrivent comment ils ont surmonté les instabilités thermiques et chimico-mécaniques des cathodes composées essentiellement de nickel, un substitut courant du cobalt, en mélangeant plusieurs autres éléments métalliques.

"Grâce à une technique que nous appelons" dopage à haute entropie ", nous avons pu fabriquer avec succès une cathode en couches sans cobalt avec une tolérance à la chaleur et une stabilité extrêmement élevées sur des cycles de charge et de décharge répétés", a déclaré l'auteur correspondant Huolin Xin, professeur à l'UCI. de physique et d'astronomie. "Cette réalisation résout les problèmes de sécurité et de stabilité de longue date concernant les matériaux de batterie à haute teneur en nickel, ouvrant la voie à des applications commerciales à grande échelle."

Le cobalt est l'un des risques les plus importants de la chaîne d'approvisionnement menaçant l'adoption généralisée des voitures électriques, des camions et d'autres appareils électroniques nécessitant des batteries, selon les auteurs de l'article. Le minerai, chimiquement adapté à la stabilisation des cathodes de batteries lithium-ion, est extrait presque exclusivement en République démocratique du Congo dans des conditions abusives et inhumaines.

"Les fabricants de véhicules électriques sont impatients de réduire l'utilisation du cobalt dans leurs batteries, non seulement pour réduire les coûts, mais aussi pour contrer les pratiques de travail des enfants utilisées pour extraire le minerai", a déclaré Xin. "La recherche a également montré que le cobalt peut entraîner une libération d'oxygène à haute tension, causant des dommages aux batteries lithium-ion. Tout cela indique un besoin d'alternatives."

Cependant, les cathodes à base de nickel présentent leurs propres problèmes, tels qu'une mauvaise tolérance à la chaleur, ce qui peut entraîner une oxydation des matériaux de la batterie, un emballement thermique et même une explosion. Bien que les cathodes à haute teneur en nickel acceptent des capacités plus importantes, la contrainte volumique due à l'expansion et à la contraction répétées peut entraîner une mauvaise stabilité et des problèmes de sécurité.

Les chercheurs ont cherché à résoudre ces problèmes grâce à un dopage à haute entropie complexe sur le plan de la composition à l'aide de HE-LMNO, un amalgame de métaux de transition magnésium, titane, manganèse, molybdène et niobium à l'intérieur de la structure, avec un sous-ensemble de ces minéraux utilisés à sa surface et à son interface. avec d'autres matériaux de batterie.

Xin et ses collègues ont utilisé un ensemble d'instruments de diffraction des rayons X synchrotron, de microscopie électronique à transmission et de nanotomographie 3D pour déterminer que leur cathode sans cobalt présentait un changement volumétrique sans précédent de zéro lors d'une utilisation répétée. La structure hautement stable est capable de résister à plus de 1 000 cycles et à des températures élevées, ce qui la rend comparable aux cathodes à teneur en nickel beaucoup plus faible.

Pour certains de ces outils de recherche, Xin a collaboré avec des chercheurs du National Synchrotron Light Source II, situé au Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie à New York. En tant qu'installation utilisateur du DOE Office of Science, NSLS-II a offert à l'équipe l'accès à trois de ses 28 instruments scientifiques, appelés lignes de lumière, pour étudier la structure interne de la nouvelle cathode.

"La combinaison des différentes méthodes sur les lignes de lumière NSLS II a permis de découvrir un effet de piégeage des lacunes et des défauts d'oxygène à l'intérieur du matériau, qui empêche efficacement la formation de fissures dans la particule secondaire HE-LMNO, rendant cette structure extrêmement stable pendant le cyclage." a déclaré le co-auteur Mingyuan Ge, scientifique au NSLS-II.

Xin a ajouté :"Grâce à ces outils avancés, nous avons pu observer la stabilité thermique considérablement accrue et les caractéristiques de changement volumétrique nul de la cathode, et nous avons pu démontrer une rétention de capacité et une durée de vie du cycle extraordinairement améliorées. Cette recherche pourrait définir la scène pour le développement d'une alternative énergétiquement dense aux batteries existantes."

Il a déclaré que le travail représente une étape vers la réalisation du double objectif de stimuler la prolifération des transports propres et du stockage de l'énergie tout en abordant les problèmes de justice environnementale liés à l'extraction des minéraux utilisés dans les batteries. + Explorer plus loin

La nouvelle conception de la cathode résout un obstacle majeur à de meilleures batteries lithium-ion