De nouveaux matériaux peuvent considérablement améliorer la capacité de stockage et la stabilité au cycle des batteries rechargeables. Parmi ces matériaux se trouvent les oxydes à haute entropie (HEO), dont la stabilité résulte d'une répartition désordonnée des éléments. Avec HEO, les propriétés électrochimiques peuvent être adaptées, comme cela a été découvert par des scientifiques de l'équipe d'experts en nanotechnologie Horst Hahn à l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT). Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans la revue Communication Nature .

Un approvisionnement énergétique durable nécessite des systèmes de stockage fiables. La demande de dispositifs de stockage d'énergie électrochimiques rechargeables pour les applications fixes et mobiles a augmenté rapidement au cours des dernières années et devrait continuer de croître à l'avenir. Parmi les propriétés les plus importantes des batteries figurent leur capacité de stockage et leur stabilité en cyclage, c'est-à-dire le nombre de processus de charge et de décharge possibles sans aucune perte de capacité. Grâce à sa grande stabilité, une toute nouvelle classe de matériaux appelés oxydes à haute entropie (HEO) devrait entraîner des améliorations majeures. De plus, les propriétés électrochimiques des HEO peuvent être personnalisées en faisant varier leurs compositions. Pour la première fois, des scientifiques de l'Institut de nanotechnologie (INT) du KIT et de la Nano Micro Facility de Karlsruhe (KNMF), du Helmholtz Institute Ulm (HIU) créé conjointement par le KIT et l'Université d'Ulm, et de l'Indian Institute of Technology à Madras ont maintenant démontré l'adéquation de HEO comme matériaux de conversion pour le stockage réversible du lithium. Les batteries de conversion basées sur la conversion de matériau électrochimique permettent d'augmenter la quantité d'énergie stockée, tandis que le poids de la batterie est réduit. Les scientifiques ont utilisé HEO pour produire des électrodes basées sur la conversion qui ont survécu à plus de 500 cycles de charge sans aucune dégradation significative de la capacité.

Le groupe Matériaux nanostructurés du professeur Horst Hahn, Directeur de l'INT de KIT, est parmi les pionniers de la recherche sur les oxydes à haute entropie. Les scientifiques ont publié plusieurs des publications encore rares sur ces nouveaux matériaux qui ne sont connus que depuis quelques années. Les propriétés spéciales de HEO résultent de la stabilisation de l'entropie. Cela les rend comparables aux alliages à haute entropie déjà mieux connus. Les HEO stabilisés par l'entropie sont des oxydes complexes contenant au moins cinq cations métalliques différents des mêmes quantités et présentant une structure cristalline monophasique. Bien que les structures cristallines typiques des éléments diffèrent considérablement, ils forment un réseau commun et se distribuent aux positions dans le cristal sans aucun ordre apparent. Ce trouble, également appelée haute entropie, stabilise le matériau, probablement parce qu'il altère la migration des défauts dans le réseau.

"Grâce à la grande stabilité, les interactions des différents cations métalliques, et le nombre élevé de combinaisons d'éléments possibles, HEO ouvre des opportunités insoupçonnées, " explique le professeur Horst Hahn. L'étude présentée dans Communication Nature concentré en HEO à base de métaux de transition (TM-HEO), qui se caractérisent par une conductivité élevée des ions lithium. Par microscopie électronique à transmission (MET), les chercheurs ont étudié la structure du TM-HEO et son impact sur la réaction de conversion. Ils ont découvert que l'élimination d'un élément ne réduit que l'entropie et affecte négativement la stabilité du cycle. Chaque élément individuel influence le comportement électrochimique du TM-HEO, de telle sorte que les matériaux peuvent être adaptés à diverses applications. Le résultat est une approche modulaire du développement systématique des matériaux d'électrode. "Notre étude a montré que le HEO stabilisé par l'entropie diffère considérablement du matériau de conversion classique, " dit Horst Hahn. " Pour ouvrir leur plein potentiel aux applications de stockage d'énergie, cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires."