23.08.2022 - Boise State University

Des chercheurs découvrent une approche innovante pour fabriquer de nouveaux matériaux pour batteries lithium-ion

Transformation de phases amorphes en sels minéraux induite par l'électrochimie dans une électrode d'oxyde de niobium pour les batteries Li-ion.

Des chercheurs de l'université d'État de Boise ont mis au point une nouvelle approche pour fabriquer de nouveaux matériaux pour les batteries lithium-ion. À partir d'un oxyde de niobium amorphe, c'est-à-dire dépourvu d'ordre à longue portée, l'équipe a découvert que le simple fait de cycler le matériau avec du lithium induit une transformation en une nouvelle anode cristalline de Nb2O5 offrant un stockage exceptionnel du lithium et des cycles rapides. Ce processus peut potentiellement être utilisé pour fabriquer d'autres matériaux de batterie lithium-ion qui ne peuvent pas être facilement fabriqués par des moyens traditionnels.

L'étude, menée conjointement par les chercheurs des laboratoires de Hui (Claire) Xiong, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'université d'État de Boise, et de Shyue Ping Ong, professeur de nano-ingénierie à l'université de Californie à San Diego, a été publiée dans Nature Materials.

La découverte de nouveaux matériaux pour les batteries lithium-ion revêt une nouvelle urgence. La hausse du prix de l'essence a entraîné une forte augmentation de la demande de véhicules électriques (VE) et, par conséquent, des batteries lithium-ion qui les alimentent. Cependant, les batteries lithium-ion actuelles sont encore trop chères et se rechargent trop lentement.

"Les batteries au lithium-ion sont la principale technologie sur le marché des batteries rechargeables, mais la demande d'énergie élevée et de temps de charge plus rapides augmente également", explique Pete Barnes, titulaire d'un doctorat du laboratoire de matériaux d'énergie électrochimique de M. Xiong à la Micron School of Materials Science and Engineering et auteur principal des travaux. "Si vous voulez recharger votre véhicule électrique pendant 15 minutes, puis prendre la route pour les 200 ou 300 kilomètres suivants, vous avez besoin de nouvelles électrodes de batterie qui peuvent être chargées à un rythme très rapide sans grande perte de performance."

L'un des principaux goulets d'étranglement de la charge des batteries lithium-ion actuelles est l'anode. L'anode la plus courante est en graphite, qui est très dense en énergie, mais ne peut pas être chargée trop rapidement en raison du risque d'incendie et d'explosion dû à un processus connu sous le nom de placage de lithium métallique. Les oxydes métalliques d'intercalation, comme le sel gemme Nb2O5 découvert par l'équipe, sont des alternatives prometteuses pour les anodes en raison de la réduction du risque de plaquage du lithium à basse tension. Pour créer le nouveau matériau d'anode, le groupe de Xiong a mis au point une nouvelle technique innovante appelée transformation amorphe-cristalline induite par voie électrochimique. La nouvelle électrode peut atteindre un stockage élevé de lithium de 269 mAh/g à un taux de charge de 20 mA/g et, plus important encore, continue de conserver une capacité élevée de 191 mAh/g à un taux de charge élevé de 1 A/g.

"L'aspect le plus passionnant de ce travail est la découverte d'une approche totalement nouvelle pour créer de nouvelles électrodes de batterie lithium-ion", a déclaré Xiong. "L'astuce consiste à partir d'une phase à plus haute énergie, comme un matériau amorphe. Le simple fait de cycler le matériau avec du lithium nous permet de créer de nouveaux arrangements cristallins qui présentent des propriétés améliorées par rapport à celles obtenues par des moyens traditionnels tels que les réactions à l'état solide."

Les performances exceptionnelles de l'anode sont dues à sa structure désordonnée de sel gemme ou DRX, qui ressemble à du sel de cuisine ordinaire mais dont les atomes de Li et de Nb sont disposés de manière aléatoire. Si les matériaux de cathode DRX sont bien connus, les anodes DRX sont relativement rares. À l'aide de techniques de calcul, Yunxing Zuo, titulaire d'un doctorat du laboratoire virtuel des matériaux d'Ong à l'UC San Diego, a montré que le processus d'insertion de Li dans le Nb2O5 amorphe permet aux spécialistes des matériaux d'accéder à des matériaux métastables. L'équipe a également mis au point une métrique permettant d'identifier d'autres oxydes métalliques susceptibles d'être synthétisés de manière similaire. Les calculs montrent également que la structure du DRX contient des voies de diffusion rapide du lithium, ce qui permet d'obtenir des performances élevées.

"Nous pensons que ce travail n'est que le début d'une toute nouvelle façon d'envisager la synthèse des matériaux", a déclaré M. Ong. "Les atomes aiment s'arranger d'une certaine manière. Lorsque nous fabriquons des matériaux de manière traditionnelle, nous obtenons généralement les mêmes arrangements, encore et encore. Cette nouvelle approche ouvre une voie prometteuse pour créer d'autres oxydes métalliques non conventionnels."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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