Des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie et de l'Université du Tennessee à Knoxville ont découvert un matériau clé nécessaire aux batteries lithium-ion à charge rapide. L'approche commercialement pertinente ouvre une voie potentielle pour améliorer les vitesses de recharge des véhicules électriques.

Les batteries lithium-ion, ou LIB, jouent un rôle essentiel dans le portefeuille national de technologies d'énergie propre. La plupart des véhicules hybrides électriques et tout électriques utilisent des LIB. Ces batteries rechargeables offrent des avantages en termes de fiabilité et d'efficacité car elles peuvent stocker plus d'énergie, se recharger plus rapidement et durer plus longtemps que les batteries plomb-acide traditionnelles. Cependant, la technologie est encore en développement et des avancées fondamentales sont nécessaires pour répondre aux priorités d'amélioration du coût, de l'autonomie et du temps de charge des batteries des véhicules électriques.

"Surmonter ces défis nécessitera des progrès dans les matériaux qui sont plus efficaces et des méthodes de synthèse qui sont évolutives pour l'industrie", a déclaré Sheng Dai, membre de l'ORNL et auteur correspondant.

Résultats publiés dans Advanced Energy Materials démontrer un nouveau matériau d'anode de batterie à charge rapide obtenu à l'aide d'une méthode de synthèse évolutive. L'équipe a découvert un nouveau composé de molybdène-tungstène-niobate, ou MWNO, avec une recharge rapide et une efficacité élevée qui pourrait potentiellement remplacer le graphite dans les batteries commerciales.

Pendant des décennies, le graphite a été le meilleur matériau utilisé pour fabriquer des anodes LIB. Dans la conception de base de la batterie, deux électrodes solides - une anode positive et une cathode négative - sont connectées par une solution d'électrolyte et un séparateur. Dans les LIB, les ions lithium vont et viennent entre la cathode et l'anode pour stocker et libérer l'énergie qui alimente les appareils. Un défi pour les anodes en graphite est que l'électrolyte se décompose et forme une accumulation sur la surface de l'anode pendant le processus de charge. Cette accumulation ralentit le mouvement des ions lithium et peut limiter la stabilité et les performances de la batterie.

"En raison de ce mouvement lithium-ion lent, les anodes en graphite sont considérées comme un obstacle à une charge extrêmement rapide. Nous recherchons de nouveaux matériaux à faible coût capables de surpasser le graphite", a déclaré Runming Tao, chercheur postdoctoral à l'ORNL et premier auteur. L'objectif de recharge extrêmement rapide du DOE pour les véhicules électriques est fixé à 15 minutes ou moins pour rivaliser avec les temps de ravitaillement des véhicules à essence, un jalon qui n'a pas été atteint avec le graphite.

"Notre approche se concentre sur les matériaux non graphités, mais ceux-ci ont également des limites. Certains des matériaux les plus prometteurs, les oxydes à base de niobium, ont des méthodes de synthèse compliquées qui ne sont pas bien adaptées à l'industrie", a déclaré Tao.

La synthèse conventionnelle d'oxydes de niobium tels que le MWNO est un processus énergivore sur flamme nue qui génère également des déchets toxiques. Une alternative pratique pourrait pousser les matériaux MWNO à devenir des candidats sérieux pour les batteries avancées. Les chercheurs se sont tournés vers le procédé sol-gel bien établi, connu pour sa sécurité et sa simplicité. Contrairement à la synthèse conventionnelle à haute température, le procédé sol-gel est une méthode chimique à basse température pour convertir une solution liquide en un matériau solide ou en gel et est couramment utilisé pour fabriquer des verres et des céramiques.

L'équipe a transformé un mélange de liquide ionique et de sels métalliques en un gel poreux qui a été traité à la chaleur pour améliorer les propriétés finales du matériau. La stratégie à faible consommation d'énergie permet également de récupérer et de recycler le solvant liquide ionique utilisé comme modèle pour le MWNO.

"Ce matériau fonctionne à une tension plus élevée que le graphite et n'est pas susceptible de former ce qu'on appelle une" couche d'électrolyte solide de passivation "qui ralentit le mouvement du lithium-ion pendant la charge. Sa capacité exceptionnelle et son taux de charge rapide, combinés à une capacité évolutive méthode de synthèse, en font un candidat attractif pour les futurs matériaux de batterie », a déclaré Tao.

La clé du succès du matériau est une structure nanoporeuse qui offre une conductivité électrique améliorée. Le résultat offre moins de résistance au mouvement des ions lithium et des électrons, permettant une recharge rapide.

"L'étude aboutit à une méthode de synthèse évolutive pour un matériau MWNO compétitif et fournit des informations fondamentales sur la conception future des matériaux d'électrode pour une variété de dispositifs de stockage d'énergie", a déclaré Dai. + Explorer plus loin

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