Cathodes de batteries lithium-ion rentables, à haute capacité et cyclables
Un aspect chimique crucial de l'amélioration s'est avéré être la formation de liaisons "covalentes" solides
Le cycle de charge-recharge de l'oxyde de fer riche en lithium, une cathode rentable et de grande capacité pour les batteries lithium-ion de nouvelle génération, peut être grandement amélioré en le dopant avec des éléments minéraux facilement disponibles.
Oxydes de fer riches en lithium pour des cathodes rentables, à haute capacité et cyclables.
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La capacité énergétique et le cycle de charge-recharge (cyclabilité) de l'oxyde de fer-lithium, un matériau de cathode rentable pour les batteries lithium-ion rechargeables, sont améliorés par l'ajout de petites quantités d'éléments abondants. Cette avancée, réalisée par des chercheurs de l'université de Hokkaido, de l'université de Tohoku et de l'institut de technologie de Nagoya, est publiée dans la revue ACS Materials Letters.
Les batteries lithium-ion sont devenues indispensables à la vie moderne, utilisées dans une multitude d'applications, notamment les téléphones portables, les véhicules électriques et les grands systèmes de stockage d'énergie. Un effort de recherche constant est en cours pour augmenter leur capacité, leur efficacité et leur durabilité. L'un des principaux défis consiste à réduire la dépendance à l'égard de ressources rares et coûteuses. L'une des approches consiste à utiliser des matériaux plus efficaces et plus durables pour les cathodes des batteries, où se déroulent les principaux processus d'échange d'électrons.
Les chercheurs ont travaillé à l'amélioration des performances des cathodes basées sur un composé particulier d'oxyde de lithium et de fer. En 2023, ils ont présenté un matériau de cathode prometteur, le Li5FeO4, qui présente une capacité élevée grâce aux réactions d'oxydoréduction du fer et de l'oxygène. Cependant, son développement a rencontré des problèmes liés à la production d'oxygène pendant les cycles de charge et de recharge.
"Nous avons découvert que la cyclabilité pouvait être considérablement améliorée en dopant de petites quantités d'éléments disponibles en abondance tels que l'aluminium, le silicium, le phosphore et le soufre dans la structure cristalline de la cathode", explique Hiroaki Kobayashi, professeur associé au département de chimie de la faculté des sciences de l'université d'Hokkaido.
Un aspect chimique crucial de l'amélioration s'est avéré être la formation de fortes liaisons "covalentes" entre le dopant et les atomes d'oxygène au sein de la structure. Ces liaisons maintiennent les atomes ensemble lorsque les électrons sont partagés entre les atomes, plutôt que l'interaction "ionique" entre les ions chargés positivement et négativement.
"La liaison covalente entre le dopant et les atomes d'oxygène rend la libération problématique de l'oxygène moins favorable d'un point de vue énergétique, et donc moins susceptible de se produire", explique Kobayashi.
Les chercheurs ont utilisé l'analyse de l'absorption des rayons X et des calculs théoriques pour explorer les moindres détails des changements dans la structure du matériau de la cathode provoqués par l'introduction de différents éléments dopants. Cela leur a permis de proposer des explications théoriques pour les améliorations observées. Ils ont également utilisé l'analyse électrochimique pour quantifier les améliorations de la capacité énergétique de la cathode, de la stabilité et du cycle entre les phases de charge et de décharge, montrant une augmentation de la rétention de la capacité de 50 % à 90 %.
"Nous continuerons à développer ces nouvelles connaissances, dans l'espoir d'apporter une contribution significative aux progrès de la technologie des batteries, qui seront essentiels pour que l'énergie électrique remplace largement l'utilisation des combustibles fossiles, comme l'exigent les efforts mondiaux de lutte contre le changement climatique", conclut M. Kobayashi.
La prochaine phase de la recherche consistera à explorer les défis et les possibilités de transposer les méthodes à une technologie prête à être commercialisée.
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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