L'observation du lithium en temps réel pourrait améliorer les performances des matériaux des batteries des véhicules électriques

Des chercheurs ont découvert que le mouvement irrégulier des ions lithium dans les matériaux des batteries de nouvelle génération pourrait réduire leur capacité et nuire à leurs performances.

L'équipe, dirigée par l'université de Cambridge, a suivi en temps réel le mouvement des ions lithium à l'intérieur d'un nouveau matériau de batterie prometteur.

Il était supposé que le mécanisme par lequel les ions lithium sont stockés dans les matériaux de batterie était uniforme pour toutes les particules actives individuelles. Cependant, l'équipe dirigée par Cambridge a découvert que pendant le cycle de charge-décharge, le stockage du lithium est tout sauf uniforme.

Lorsque la batterie est proche de la fin de son cycle de décharge, les surfaces des particules actives sont saturées de lithium alors que leurs noyaux sont déficients en lithium. Il en résulte une perte de lithium réutilisable et une capacité réduite.

La recherche, financée par la Faraday Institution, pourrait contribuer à améliorer les matériaux de batteries existants et accélérer le développement de batteries de nouvelle génération. Les résultats sont publiés dans Joule.

Les véhicules électriques (VE) sont essentiels dans la transition vers une économie sans carbone. La plupart des véhicules électriques en circulation aujourd'hui sont alimentés par des batteries lithium-ion, en raison notamment de leur haute densité énergétique.

Toutefois, à mesure que l'utilisation des VE se généralise, l'allongement de l'autonomie et l'accélération des temps de charge exigent d'améliorer les matériaux actuels des batteries et d'en identifier de nouveaux.

Parmi ces matériaux, les plus prometteurs sont les matériaux d'électrode positive de pointe connus sous le nom d'oxydes stratifiés riches en lithium et en nickel, qui sont largement utilisés dans les VE haut de gamme. Cependant, leurs mécanismes de fonctionnement, en particulier le transport des ions lithium dans des conditions de fonctionnement pratiques, et la manière dont cela est lié à leurs performances électrochimiques, ne sont pas entièrement compris, de sorte que nous ne pouvons pas encore obtenir des performances maximales de ces matériaux.

En suivant au microscope la façon dont la lumière interagit avec les particules actives pendant le fonctionnement de la batterie, les chercheurs ont observé des différences distinctes dans le stockage du lithium pendant le cycle de charge-décharge dans l'oxyde de manganèse et de cobalt (NMC) riche en nickel.

"C'est la première fois que cette non-uniformité dans le stockage du lithium a été directement observée dans des particules individuelles", a déclaré la co-première auteure Alice Merryweather, du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge. "Des techniques en temps réel comme les nôtres sont essentielles pour capturer ce phénomène pendant le cycle de la batterie".

En combinant les observations expérimentales avec la modélisation informatique, les chercheurs ont découvert que la non-uniformité provient de changements radicaux dans la vitesse de diffusion des ions lithium dans la NMC pendant le cycle de charge-décharge. Plus précisément, les ions de lithium diffusent lentement dans les particules de NMC entièrement lithiées, mais la diffusion est considérablement améliorée une fois que certains ions de lithium sont extraits de ces particules.

"Notre modèle donne un aperçu de la plage dans laquelle la diffusion des ions lithium dans les NMC varie au cours des premières étapes de la charge", a déclaré le coauteur, le Dr Shrinidhi S. Pandurangi, du département d'ingénierie de Cambridge. "Notre modèle a prédit les distributions de lithium avec précision et a capturé le degré d'hétérogénéité observé dans les expériences. Ces prédictions sont essentielles pour comprendre d'autres mécanismes de dégradation des batteries, comme la fracture des particules."

Il est important de noter que l'hétérogénéité du lithium observée à la fin de la décharge explique pourquoi les matériaux cathodiques riches en nickel perdent généralement environ dix pour cent de leur capacité après le premier cycle de charge-décharge.

"C'est important, car l'une des normes industrielles utilisées pour déterminer si une batterie doit être mise au rebut ou non est qu'elle a perdu 20 % de sa capacité", a déclaré le Dr Chao Xu, coauteur de l'étude, de l'université ShanghaiTech.

Les chercheurs cherchent maintenant de nouvelles approches pour augmenter la densité énergétique pratique et la durée de vie de ces matériaux de batterie prometteurs.