Des chercheurs de la Boise State University ont développé une nouvelle approche pour fabriquer de nouveaux matériaux de batterie lithium-ion. À partir d'un oxyde de niobium amorphe (c'est-à-dire un matériau dépourvu d'ordre à longue portée), l'équipe a découvert que le simple fait de recycler le matériau avec du lithium induit une transformation en un nouveau Nb₂ cristallin. O₅ anode avec un stockage Li exceptionnel et un cycle rapide. Ce processus peut potentiellement être utilisé pour fabriquer d'autres matériaux de batterie lithium-ion qui ne peuvent pas être facilement fabriqués par des moyens traditionnels.

L'étude, dirigée conjointement par des chercheurs des laboratoires de Hui (Claire) Xiong, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'État de Boise, et de Shyue Ping Ong, professeur de nano-ingénierie à l'Université de Californie à San Diego, a été publiée dans Matériaux naturels .

La découverte de nouveaux matériaux pour les batteries lithium-ion revêt une urgence renouvelée. Alimentée par la hausse des prix de l'essence, il y a eu une augmentation de la demande de véhicules électriques (VE) et, avec elle, des batteries lithium-ion qui les alimentent. Cependant, les batteries lithium-ion d'aujourd'hui sont encore trop chères et se rechargent trop lentement.

"Les batteries lithium-ion sont la technologie de pointe pour le marché des batteries rechargeables, mais il y a aussi une augmentation de la demande pour que la batterie ait une énergie élevée et des temps de charge plus rapides", a déclaré Pete Barnes, un Ph.D. ancien élève du laboratoire de matériaux d'énergie électrochimique de Xiong à la Micron School of Materials Science and Engineering et auteur principal de l'ouvrage. "Si vous souhaitez recharger votre véhicule électrique pendant 15 minutes, puis prendre la route pour les 200 ou 300 kilomètres suivants, vous avez besoin de nouvelles électrodes de batterie qui peuvent être chargées à un rythme très rapide sans trop de perte de performances."

L'anode est l'un des plus gros goulots d'étranglement à la charge des batteries lithium-ion d'aujourd'hui. L'anode la plus courante est en graphite, qui est très dense en énergie, mais ne peut pas être chargée trop rapidement en raison du risque d'incendie et d'explosion d'un processus connu sous le nom de placage au lithium métal. Oxydes métalliques d'intercalation, comme le sel gemme Nb₂ O₅ matériau découvert par l'équipe, sont des alternatives d'anode prometteuses en raison du risque réduit de placage au lithium à basse tension.

Pour créer le nouveau matériau d'anode, le groupe de Xiong a développé une nouvelle technique innovante appelée transformation amorphe en cristal induite électrochimiquement. La nouvelle électrode peut atteindre un stockage de lithium élevé de 269 mAh/g à un taux de charge de 20 mA/g et, plus important encore, continue de conserver une capacité élevée de 191 mAh/g à un taux de charge élevé de 1 A/g.

"L'aspect le plus excitant de ce travail est la découverte d'une approche complètement nouvelle pour créer de nouvelles électrodes de batterie lithium-ion", a déclaré Xiong. "L'astuce consiste à partir d'une phase d'énergie plus élevée, telle qu'un matériau amorphe. Le simple fait de recycler le matériau avec du lithium nous permet de créer de nouveaux arrangements cristallins qui présentent des propriétés améliorées au-delà de celles obtenues par des moyens traditionnels tels que les réactions à l'état solide."

Les performances de vitesse exceptionnelles de l'anode sont dues à sa structure désordonnée de sel gemme ou DRX, qui ressemble à du sel de table de cuisine ordinaire, mais avec les atomes de Li et de Nb disposés de manière aléatoire. Alors que les matériaux de cathode DRX sont bien connus, les anodes DRX sont relativement rares. En utilisant des techniques informatiques, Yunxing Zuo, un Ph.D. ancien élève du laboratoire virtuel des matériaux d'Ong à l'UC San Diego, a montré que le processus d'insertion de Li dans du Nb₂ amorphe O₅ permet aux spécialistes des matériaux d'accéder à des matériaux métastables. L'équipe a également développé une métrique pour identifier d'autres oxydes métalliques qui peuvent potentiellement être synthétisés de manière similaire. Les calculs montrent également que la structure DRX contient des chemins pour une diffusion rapide du lithium, ce qui se traduit par des performances à haut débit.

"Nous pensons que ce travail n'est que le début d'une toute nouvelle façon de penser la synthèse des matériaux", a déclaré Ong. "Les atomes aiment s'organiser de certaines manières. Lorsque nous fabriquons des matériaux de manière traditionnelle, nous obtenons généralement les mêmes arrangements encore et encore. Cette nouvelle approche ouvre une voie prometteuse pour créer d'autres oxydes métalliques non conventionnels."

L'équipe a également collaboré avec les Drs. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou et Yuzi Liu du Laboratoire national d'Argonne, les professeurs. Paul Davis, Paul Simmonds et le Dr Darin Schwartz de Boise State, et les Drs. Yingge Du et Zihua Zhu du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique. + Explorer plus loin

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