Batteries - Une nouvelle structure d'anode pourrait améliorer la capacité en plus de réduire la dégradation

Les batteries au lithium pour le secteur du transport électrique les plus prometteuses à l'heure actuelle sont basées sur une chimie de type Nickel-Manganèse-Cobalt (NMC) pour la composition de la cathode. L'enjeu principal avec cette technologie est d'obtenir une grande capacité sans compromettre la dégradation des matériaux de la batterie.

Maintenant, une équipe de scientifiques du département de l'énergie des États-Unis (US DOE) impliquant le "Brookhaven National Laboratory" , "Lawrence Berkeley National Laboratory", et "SLAC National Accelerator Laboratory" affirme qu'ils ont trouvé un moyen de trouver un équilibre en produisant  une cathode de batterie avec une structure hiérarchique où le matériau réactif est abondant en plus d'avoir une couche de protection contre la dégradation. 

Le physicien Huolin Xin au Brookhaven National Laboratory (DOE) devant un microscope électronique

Des batteries de test incorporant ce matériau de cathode ont démontré des capacités améliorées de cyclage  à haute tension, ce qui est désiré pour les véhicules électriques à recharge rapide et d'autres applications qui nécessitent une grande capacité de stockage. Les scientifiques décrivent les détails micro/nanométrique du matériau de cathode dans un article publié dans la revue Nature Energy, édition du 11 Janvier 2016. 

"Nos collègues de Berkeley Lab étaient en mesure de faire une structure de particules qui a deux niveaux de complexité où le matériel est assemblé dans une manière qu'il se protège de la dégradation", a expliqué le physicien de Brookhaven Lab (assistant professeur adjoint) Huolin Xin, qui aidé à caractériser les détails à l'échelle nanométrique du matériau de la cathode.

Batteries 101: la navette au lithium-ion

La chimie est au cœur de toutes les batteries rechargeables lithium-ion, qui alimente les produits électronique et les voitures électriques en transportant les ions de lithium entre les électrodes positives et négatives, baignant dans une solution d'électrolyte. Comme le lithium se déplace vers la cathode, les électrons produisent des réactions chimiques qui peuvent être acheminés à un circuit externe destiné à être utilisé. Le rechargement nécessite un courant externe pour exécuter les réactions en sens inverse, en tirant les ions lithium de la cathode pour les retourner vers l'anode. 

Procédé et composition à l'étude
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Des métaux réactifs comme le nickel ont la possibilité de faire de grands matériaux de cathode à l'exception qu'ils sont instables et ont tendance à subir des réactions secondaires avec l'électrolyte destructrices. Ainsi, l'équipe de Brookhaven, Berkeley, et SLAC a expérimenté l'intégration du nickel tout en le protégeant des réactions secondaires destructrices.

Ils pulvérise une solution de lithium, nickel, manganèse et de cobalt et mélangé dans une certaine proportion par une buse de pulvérisation pour former des gouttelettes minuscules qui se décomposent ensuite pour former une poudre. Chauffé et refroidi à plusieurs reprises, la poudre déclenche la formation de particules nanométriques et l'auto-assemblage de ces particules dans les structures sphériques plus grandes, parfois creuses.
 
En utilisant des rayons X à la SSRL de SLAC, les scientifiques ont fait des «empreintes chimiques» des structures échelle du micron. La technique de synchrotron, appelée la spectroscopie à rayons X, a révélé que la surface extérieure de la sphère est relativement faible en nickel et en manganèse élevée non réactif, tandis que l'intérieur est riche en nickel. 

La couche de manganèse constitue une barrière efficace, comme de la peinture sur un mur, la protection de la structure interne riche en nickel de l'électrolyte ... [et les] interfaces sont essentiellement une autoroute pour les ions de lithium pour entrer et sortir.
- Huolin Xin

Cette combinaison pourrait améliorer la durée de vie de la batterie ainsi qu'une capacité de charge plus élevée, grâce au nickel - Huolin Xin

Micrographies électronique à balayage et de transmission du matériau de cathode à différents grossissements. Ces images montrent que les sphères 10 microns (a) peuvent être creuses et sont composées de nombreuses particules nanométriques (B).

Données d'essais de cyclage de batteries NMC produites avec le procédé à l'étude vs. des batteries de références

Brookhaven National Laboratory est soutenu par le Bureau de la science de l'US Department of Energy (DOE). Le Bureau de la science est le plus grand défenseur de la recherche fondamentale dans les sciences physiques aux États-Unis et travaille à répondre à certains des défis les plus pressants de notre époque.

Cette découverte aura-t-elle un impact sur la densité d'énergie, la réduction de la dégradation ainsi que sur la rapidité de charge des futures batteries de véhicules électriques? C'est à suivre.

Sources : GreenCarCongress , Brookhaven National Laboratory ,  Nature (energy)
Contribution : Richard Lemelin, directeur régional AVÉQ - Capitale-Nationale