Comment un additif courant donne un coup de pouce aux batteries lithium-ion
Des chercheurs ont identifié ce qui rend un additif d'électrolyte commun si efficace pour améliorer les performances des batteries utilisant une cathode d'oxyde de cobalt et de lithium.
Les nitriles - un composé organique dont l'atome de carbone est triplement lié à un atome d'azote - sont couramment ajoutés à la formule de l'électrolyte des batteries utilisant une cathode d'oxyde de cobalt et de lithium, ce qui permet à ces batteries de se rapprocher de leur pleine performance théorique. Jusqu'à présent, les chercheurs en batteries n'ont pas vraiment compris pourquoi ces nitriles fonctionnent de cette manière. Mais un groupe d'électrochimistes a utilisé des techniques de microscopie avancées pour observer de plus près ce qui se passe à l'échelle moléculaire et a identifié ce qui se passe, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour améliorer encore les performances des batteries.
Des chercheurs ont découvert comment un additif commun donne un coup de pouce aux batteries lithium-ion (image symbolique).
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Les performances électrochimiques et le mécanisme de travail de l'additif HTCN sur la cathode LiCoO2 à haute tension pour les cellules pratiques à poche sont étudiés de manière approfondie.
Nano Research
L'étude a été publiée dans le journal Nano recherche le 22 septembre 2022.
L'oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO2, ou simplement "LCO") est le matériau le plus utilisé pour les cathodes - les électrodes positives - des batteries lithium-ion. C'est particulièrement vrai pour les batteries utilisées dans les appareils électroniques portables, grâce à la haute tension de fonctionnement du LCO, à sa grande capacité et à la stabilité de ses performances sur le long terme.
Mais ce qui a rendu les cathodes LCO particulièrement attrayantes, c'est qu'elles offrent plus d'énergie pour un espace réduit (plus grande densité énergétique), ce qui est très utile pour les petits appareils grand public tels que les téléphones, les smartwatches, et les gadgets qui ont des contraintes d'espace encore plus strictes, comme les capteurs intelligents domestiques et industriels.
Toutefois, à l'heure actuelle, les cathodes LCO ne peuvent fournir qu'environ la moitié de leur capacité spécifique théorique. En clair, cela signifie que ce qu'elles fournissent réellement est bien inférieur à ce qu'elles devraient théoriquement être capables de produire. Elles ont donc souvent du mal à répondre aux exigences croissantes de densité énergétique des appareils électroniques portables.
Une façon de contourner cet obstacle serait d'augmenter la tension de charge limitée des batteries utilisant des cathodes LCO. La tension de charge limitée décrit le point auquel une batterie est considérée comme étant complètement chargée. Au-delà de ce point, la batterie pourrait être endommagée, c'est pourquoi de nombreux appareils s'éteignent simplement lorsque le seuil de coupure est atteint. Ce seuil étant fixé de manière quelque peu arbitraire, il pourrait être augmenté et un tel fonctionnement à haute tension est prometteur pour améliorer la densité énergétique de ces batteries.
Mais un nouveau problème se pose ici : le fonctionnement à haute tension peut exacerber les réactions chimiques nocives à l'interface entre la cathode et l'électrolyte. Cela peut entraîner des fissures et d'autres dommages internes, qui à leur tour peuvent détériorer davantage l'interface entre les électrodes. En fin de compte, tout cela peut entraîner une baisse radicale de la capacité des batteries et une forte augmentation des problèmes de sécurité. La température de fonctionnement de ces appareils peut atteindre 45℃ en raison de leur propre production de chaleur, ce qui réduit encore la durée de vie des batteries.
Ainsi, depuis quelque temps, l'ajout de composés supplémentaires à la formule de l'électrolyte pour modifier l'activité de réaction de l'électrolyte (le milieu contenant des ions qui aide à établir un courant via le mouvement des ions positifs et négatifs à travers lui) à l'interface entre la cathode et l'électrolyte s'est avéré être une stratégie très efficace pour diminuer l'activité de réaction de l'électrolyte.
Il existe un certain nombre de composés différents utilisés comme additifs d'électrolyte, mais pour les batteries lithium-ion, les nitriles sont peut-être les plus utilisés. Les nitriles sont des composés organiques dont une partie de la molécule (un "groupe fonctionnel") est constituée d'un atome de carbone triplement lié à un atome d'azote.
Cependant, le mécanisme de fonctionnement des additifs nitriles sur les cathodes haute tension n'est pas encore totalement compris, en particulier dans le cas des batteries LCO haute tension à poche, pratiques et quotidiennes. (Les batteries à poche sont un type de batterie "souple" sans boîtier métallique dur, dont les composants sont enfermés dans un film plastique recouvert d'aluminium, ressemblant un peu à une "poche" de chewing-gum ou de tabac en vrac. Développées pour la première fois en 1995 et permettant une utilisation beaucoup plus efficace de l'espace, les batteries à poche sont depuis devenues un choix courant pour les fabricants en raison de cet avantage de conception).
Il existe deux grandes théories qui tentent d'expliquer le mécanisme des additifs nitriles, mais toutes deux présentent des lacunes importantes dans leur pouvoir explicatif.
"Les nitriles fonctionnent bien, mais nous ne savons pas vraiment pourquoi ils fonctionnent bien, pourquoi cette action stabilisatrice se produit. Ce qui se passe exactement est resté assez mystérieux", a déclaré Shuhong Jiao, un électrochimiste de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC). "Et si nous ne savons pas pourquoi ce que nous faisons pour améliorer les batteries fonctionne, cela nous empêche d'adapter nos efforts pour améliorer encore les choses."
Les chercheurs ont donc pris un additif d'électrolyte nitrile commun, le 1,3,6-hexanetricarbonitrile contenant un ligand tridenté (ou plus simplement HTCN) pour essayer de faire la lumière sur le mécanisme des nitriles dans la stabilisation d'une cathode LiCoO2 à haute tension.
Pendant que la batterie fonctionnait, et qu'elle était bien plus performante qu'une batterie équivalente sans les additifs d'électrolyte HTCN, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique pour examiner de plus près ce qui se passait, ainsi qu'une analyse de la composition ionique et élémentaire du système. Ils ont constaté que l'additif HTCN inhibait très efficacement la génération de fissures et la dissolution des ions de cobalt.
Ensuite, en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X combinée à une série de calculs théoriques, ils ont découvert que les molécules HTCN étaient efficacement adsorbées (collées) à la surface du LCO et incorporées dans l'interface entre la cathode et l'électrolyte, ce qui à son tour inhibe fortement une réaction d'oxydation à la surface du LCO, empêchant ainsi une décomposition continue de l'électrolyte.
Dans l'ensemble, on obtient une interface beaucoup plus stable entre la cathode et l'électrolyte, ce qui a permis de supprimer considérablement la décomposition des composants et la formation de fissures. C'est cette structure cathode-électrolyte stable et dense qui renforce la stabilité de la batterie à travers un grand nombre de cycles de charge et de décharge.
Grâce à cette compréhension au niveau moléculaire de la façon dont les additifs nitriles donnent un coup de pouce à ces batteries, les chercheurs peuvent maintenant chercher d'autres formulations d'additifs d'électrolyte qui produisent une structure d'interface similaire ou meilleure.
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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