Un peu de cire et de savon peuvent aider à construire des électrodes pour des batteries lithium-ion moins chères, selon une étude publiée dans le numéro du 11 août de Lettres nano . La méthode en une étape permettra aux développeurs de batteries d'explorer des alternatives moins chères aux batteries lithium-ion-oxyde métallique actuellement sur le marché.

"La paraffine fournit un milieu dans lequel faire pousser de bons matériaux d'électrode, ", a déclaré le scientifique des matériaux Daiwon Choi du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie. "Cette méthode aidera les chercheurs à étudier les matériaux cathodiques à base de métaux de transition moins chers tels que le manganèse ou le fer."

Les consommateurs utilisent des batteries lithium-ion rechargeables longue durée dans tout, des téléphones portables aux derniers gadgets portables. Certains constructeurs automobiles souhaitent les utiliser dans des véhicules. La plupart des batteries lithium-ion disponibles aujourd'hui sont conçues avec un oxyde de métal tel que le cobalt, nickel, ou manganèse. Choi et ses collègues du PNNL et de l'Université d'État de New York à Binghamton voulaient explorer à la fois des métaux moins chers et le phosphate plus stable à la place de l'oxyde.

L'histoire de la recharge

Ces piles rechargeables fonctionnent parce que le lithium est égoïste et veut son propre électron. Les ions lithium chargés positivement traînent normalement dans l'oxyde métallique, l'écurie, électrode positive dans les batteries. L'oxyde métallique partage généreusement ses électrons avec les ions lithium.

La charge d'électricité pompe des électrons dans l'électrode négative, et lorsque les ions lithium voient les charges négatives flottantes à travers la batterie, ils deviennent attirés par la vie loin de la cage d'oxyde métallique. Alors les ions lithium partent, abandonner l'oxyde métallique et ses électrons partagés pour passer du temps à profiter de leurs propres électrons privés.

Mais l'affaire ne dure pas - l'utilisation de la batterie dans un appareil électronique crée un conduit à travers lequel les électrons glissants peuvent circuler. Perdant leurs électrons, les ions lithium retournent à l'oxyde métallique toujours en attente. La recharge recommence tout le processus sordide.

Moins cher, Stable

Alors que l'oxyde de cobalt fonctionne bien dans les batteries au lithium, le cobalt et le nickel sont plus chers que le manganèse ou le fer. En outre, la substitution du phosphate par l'oxyde fournit une structure plus stable pour le lithium.

Les batteries au lithium fer phosphate sont disponibles dans le commerce dans certains outils électriques et produits solaires, mais la synthèse du matériau d'électrode est compliquée. Choi et ses collègues voulaient développer une méthode simple pour transformer le phosphate de lithium métallique en une bonne électrode.

Le phosphate de lithium manganèse - LMP - peut théoriquement stocker certaines des plus grandes quantités d'énergie des batteries rechargeables, pesant 171 milliampères-heures par gramme de matériau. La capacité de stockage élevée permet aux batteries d'être légères. Mais d'autres chercheurs travaillant avec LMP n'ont même pas été en mesure de rechercher jusqu'à 120 milliampères-heures par gramme à partir du matériau qu'ils ont synthétisé.

Choi a estimé que la perte de capacité de 30% pourrait être due au lithium et aux électrons devant se frayer un chemin à travers l'oxyde métallique, une propriété appelée résistance. Le lithium et les électrons doivent parcourir moins de distance hors de la cathode, il pensait, moins il y avait de résistance et plus on pouvait stocker d'électricité. Une particule plus petite diminuerait cette distance.

Mais la croissance de particules plus petites nécessite des températures plus basses. Malheureusement, des températures plus basses signifient que les molécules d'oxyde métallique ne s'alignent pas bien dans les cristaux. L'aléatoire ne convient pas aux matériaux cathodiques, les chercheurs avaient donc besoin d'un cadre dans lequel les ingrédients - le lithium, le manganèse et le phosphate - pourraient s'arranger en cristaux nets.

Cire sur, Cirer

La cire de paraffine est composée de longues molécules droites qui ne réagissent pas beaucoup, et les longues molécules pourraient aider à aligner les choses. Le savon, un tensioactif appelé acide oléique, pourrait aider les cristaux en croissance à se disperser uniformément.

Donc, Choi et ses collègues ont mélangé les ingrédients de l'électrode avec de la paraffine fondue et de l'acide oléique et ont laissé les cristaux se développer en augmentant lentement la température. Par 400 Celsius (quatre fois la température de l'eau bouillante), des cristaux s'étaient formés et la cire et le savon avaient bouilli. Les scientifiques des matériaux renforcent généralement les métaux en les soumettant à une chaleur élevée, l'équipe a donc augmenté encore plus la température pour fusionner les cristaux dans une assiette.

"Cette méthode est beaucoup plus simple que d'autres méthodes de fabrication de cathodes en phosphate de lithium manganèse, " a déclaré Choi. " D'autres groupes ont un processus en plusieurs étapes. Nous mélangeons tous les composants et le chauffons."

Pour mesurer la taille des plaques minuscules, l'équipe a utilisé un microscope électronique à transmission en EMSL, Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement du DOE sur le campus du PNNL. Près, minuscule, de fins rectangles fourrés dans tous les sens. Les nanoplaques mesuraient environ 50 nanomètres d'épaisseur - environ mille fois plus fines qu'un cheveu humain - et jusqu'à 2000 nanomètres de côté. D'autres analyses ont montré que la croissance cristalline convenait aux électrodes.

Pour tester LMP, l'équipe a secoué les nanoplaques les unes des autres et a ajouté un support en carbone conducteur, qui sert d'électrode positive. L'équipe a testé la quantité d'électricité que le matériau pouvait stocker après une charge et une décharge rapide ou lente.

Lorsque les chercheurs ont chargé les nanoplaques lentement pendant une journée, puis les ont déchargées tout aussi lentement, la mini batterie LMP a tenu un peu plus de 150 milliAmp heures par gramme de matière, supérieur à ce que d'autres chercheurs avaient pu atteindre. Mais lorsque la batterie s'est déchargée rapidement - disons, dans l'heure, qui est tombé à environ 117, comparable à d'autres matériaux.

Ses meilleures performances ont atteint le maximum théorique à 168 milliAmp heures par gramme, quand il a été lentement chargé et déchargé sur deux jours. La charge et la décharge en une heure - un objectif raisonnable pour une utilisation dans l'électronique grand public - lui ont permis de stocker un maigre 54 milliampères par gramme.

Bien que cette version d'une batterie LMP se charge plus lentement que les autres matériaux de cathode, Choi a dit que le véritable avantage de ce travail est que la facilité, La méthode en une étape leur permettra d'explorer une grande variété de matériaux bon marché avec lesquels il était traditionnellement difficile de travailler dans le développement de batteries rechargeables au lithium-ion.

À l'avenir, l'équipe va changer la façon dont ils incorporent le revêtement de carbone sur les nanoplaques LMP, ce qui pourrait améliorer leurs taux de charge et de décharge.