Une avancée majeure pour prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion
Une équipe internationale de chercheurs a récemment découvert une méthode prometteuse pour augmenter la durée de vie des batteries lithium-ion (Li-ion). Ce développement est particulièrement pertinent pour les cathodes riches en nickel (Ni), qui souffrent d’un défaut structurel appelé la c-collapse, responsable d’une détérioration rapide des performances des batteries.
Collaboration entre experts
Ce projet de recherche a été mené par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory associé à l’Université Stanford en Californie et du Korea Institute of Science and Technology (KIST). Leur objectif principal était de stabiliser les cathodes Ni-rich, qui sont essentielles pour alimenter divers appareils modernes, tels que les smartphones, ordinateurs portables, véhicules électriques et systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
Problèmes rencontrés dans les batteries
Les batteries lithium-ion se dégradent avec le temps en raison des cycles de charge et de décharge répétés. Un facteur clé de cette dégradation est la tension interne causée par le mouvement des ions lithium dans les cathodes. À des tensions élevées, ces matériaux, qui ont une structure en couches, peuvent subir un rétrécissement soudain dans une direction précise, perturbant ainsi les voies d’ions et affectant la longévité de la batterie.
Une nouvelle approche pour éviter le c-collapse
Pour remédier à ces problèmes, l’équipe a repensé la conception des batteries habituelles. Au lieu de rechercher une structure cristalline parfaitement ordonnée, ils ont choisi d’introduire un désordre atomique contrôlé par un processus d’activation électrochimique. Cette méthode a permis de créer une nouvelle structure appelée cathode en couches désordonnées (DL).
Selon Zhelong Jiang, un des auteurs principaux de l’étude, cette stratégie innovante profite de l’« anisotropic strain » qui limitait auparavant la durée de vie des batteries.
Transformation réussie
En réglant soigneusement la réorganisation des atomes de nickel, manganèse et lithium lors des premiers cycles de la batterie, l’équipe a réussi à transformer une cathode Ni-rich traditionnellement structurée en une structure désordonnée. Ce changement a entraîné une augmentation de la capacité et de la durée de vie des cycles des batteries, évitant ainsi les contraintes qui causaient des fissures.
Résultats significatifs
Les résultats montrent que les batteries utilisant ces nouvelles cathodes modifiées conservent une haute capacité énergétique tout en offrant une meilleure stabilité structurelle lors des cycles de charge et de décharge. Cela signifie que la structure désordonnée permet aux ions lithium de se déplacer sans provoquer la contraction brusque de la structure en réseau, un phénomène habituel à des niveaux de charge élevés.
Perspectives d’avenir
Le progrès décrit dans cet article provient de l’expertise cumulée de l’équipe dans l’étude des effets de la redox des anions dans les cathodes lithium-ion. Leur nouvelle méthode réduit le stress interne et empêche la fissuration des particules, tout en limitant la perte de tension. Cette approche pourrait être intégrée dans le processus de fabrication à grande échelle, rendant son application commercialement viable.
Zhelong Jiang s’attend à ce que d’autres matériaux présentant des imperfections cristallines différentes émergent suite aux traitements électrochimiques, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles innovations.
Une étude détaillant ces travaux a été publiée dans la revue Nature Energy.
FAQ
Qu’est-ce que la c-collapse dans les batteries lithium-ion ?
La c-collapse est un phénomène où la structure en couches des cathodes Ni-rich se rétrécit soudainement dans une direction, provoquant des fissures et une défaillance des performances des batteries.
Pourquoi les cathodes riches en nickel sont-elles importantes ?
Ces cathodes permettent d’augmenter la capacité énergétique des batteries, essentielles pour l’alimentation d’appareils électroniques, de véhicules électriques, et de systèmes de stockage d’énergie.
Quel impact a la restructuration désordonnée sur les performances des batteries ?
La restructuration désordonnée des cathodes permet de réduire les contraintes internes, augmentant ainsi la durée de vie et la capacité des batteries sans sacrifier leur performance.
Comment l’activation électrochimique influence-t-elle la fabrication des batteries ?
Ce processus d’activation permet d’introduire des désordres contrôlés dans la structure, ce qui peut être intégré facilement dans les lignes de production pour une fabrication à grande échelle.
Quelles sont les prochaines étapes pour cette recherche ?
L’équipe souhaite approfondir ses connaissances sur l’interaction entre composition chimique, cinétique des changements structurels, et les imperfections afin d’optimiser les performances des batteries lithium-ion.
