Des scientifiques de Tokyo Tech et de l'Université d'Okayama ont considérablement amélioré les performances de LiCoO 2 cathodes dans les batteries Li-ion en les décorant avec BaTiO 3 nanopoints. Plus important encore, ils ont élucidé le mécanisme derrière les résultats mesurés, conclure que le BaTiO 3 les nanodots créent une interface spéciale à travers laquelle les ions Li peuvent circuler facilement, même à des taux de charge/décharge très élevés.

Aujourd'hui, les progrès modernes dans les appareils électriques et les véhicules ont créé le besoin de batteries améliorées en termes de stabilité, Les possibilités de recharge, et les vitesses de charge. Alors que les batteries Li-ion (LIB) se sont avérées très utiles, il n'est pas possible de les charger assez rapidement avec des courants élevés sans rencontrer de problèmes tels que des diminutions soudaines de la cyclabilité et de la capacité de sortie en raison de leur haute résistance intrinsèque et de leurs réactions secondaires indésirables.

Les effets négatifs de telles réactions indésirables entravent les LIB utilisant LiCoO 2 (LCO) comme matériau de cathode. L'un d'eux implique la dissolution de Co 4 ⁺ dans la solution d'électrolyte de la batterie pendant les cycles de charge/décharge. Un autre effet est la formation d'une interface d'électrolyte solide entre le matériau actif et l'électrode dans ces batteries, ce qui entrave le mouvement des ions Li et dégrade ainsi les performances.

Dans une étude précédente, les scientifiques ont rapporté qu'en utilisant des matériaux avec une constante diélectrique élevée, comme BaTiO 3 (BTO) a amélioré les performances à haut débit des cathodes LCO. Cependant, le mécanisme derrière les améliorations observées n'était pas clair. Pour faire la lumière sur cette approche prometteuse, une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, dirigé par le professeur Mitsuru Itoh, Dr Shintaro Yasui et M. Sou Yasuhara, ont étudié les cathodes LCO avec BTO appliqué de différentes manières pour découvrir plus en détail ce qui s'est passé à l'interface BTO-LCO.

L'équipe a créé trois cathodes LCO :une nue, un enduit d'une couche de BTO, et un recouvert de nanodots BTO (Figure 1). L'équipe a également modélisé une cathode LCO avec un seul nanopoint BTO et a prédit que la densité de courant près du bord du nanopoint BTO était très élevée. Cette zone particulière est appelée l'interface triphasée (BTO-LCO-électrolyte), et son existence a grandement amélioré les performances électriques de la cathode recouverte de nanopoints BTO microscopiques.

Comme prévu, après avoir testé et comparé les trois cathodes qu'ils ont préparées, l'équipe a constaté que celui avec une couche de points BTO présentait de bien meilleures performances, à la fois en termes de stabilité et de capacité de décharge. "Nos résultats démontrent clairement que la décoration avec des nanodots BTO joue un rôle important dans l'amélioration de la cyclabilité et la réduction de la résistance, " déclare Itoh. Réalisant que les points BTO avaient un effet crucial sur la motilité des ions Li dans la cathode, l'équipe a cherché une explication.

Après avoir examiné les résultats de leurs mesures, l'équipe a conclu que les nanodots BTO créent des chemins à travers lesquels les ions Li peuvent facilement s'intercaler/désintercaler, même à des taux de charge/décharge très élevés (Figure 2). En effet, le champ électrique se concentre autour des matériaux à constante diélectrique élevée. De plus, la formation d'une interface d'électrolyte solide est fortement supprimée à proximité de l'interface à trois phases, ce qui entraînerait sinon une mauvaise cyclabilité. "Le mécanisme par lequel la formation d'une interface d'électrolyte solide est inhibée près de l'interface à trois phases n'est toujours pas clair, " remarque Itoh.

Bien que de nombreuses recherches sur ce sujet restent à faire, les résultats sont prometteurs et suggèrent une nouvelle façon d'améliorer considérablement les LIB. Cela pourrait être une étape importante pour répondre aux exigences des appareils modernes et futurs.