L’étude des sels minéraux désordonnés mène à une percée dans le domaine des batteries
par Peter Reuell | Département de science et d’ingénierie nucléaires
Boston MA (SPX) 23 août 2024
Au cours de la dernière décennie, le sel gemme désordonné a été étudié comme un matériau de cathode potentiellement révolutionnaire pour une utilisation dans les batteries lithium-ion et comme une clé pour créer un stockage à faible coût et à haute énergie pour tout, des téléphones portables aux véhicules électriques en passant par le stockage d’énergie renouvelable.
Une nouvelle étude du MIT s’guarantee que le matériau tient cette promesse.
Dirigée par Ju Li, professeur d’ingénierie nucléaire et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à la Tokyo Electrical Energy Firm, une équipe de chercheurs décrit une nouvelle classe de cathode de sel gemme partiellement désordonnée, intégrée à des polyanions – appelée spinelle polyanionique de sel gemme désordonné, ou DRXPS – qui fournit une densité énergétique élevée à des tensions élevées avec une stabilité de cyclage considérablement améliorée.
« Il existe généralement un compromis entre la densité énergétique et la stabilité du cycle dans les matériaux cathodiques… et avec ce travail, nous souhaitons repousser les limites en concevant de nouvelles chimies cathodiques », explique Yimeng Huang, postdoctorant au Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires et premier auteur d’un article décrivant les travaux publié dans Nature Power. « (Cette) famille de matériaux a une densité énergétique élevée et une bonne stabilité du cycle automobile elle intègre deux principaux varieties de matériaux cathodiques, le sel gemme et l’olivine polyanionique, elle présente donc les avantages des deux. »
Il est vital de noter, ajoute Li, que la nouvelle famille de matériaux est principalement composée de manganèse, un élément abondant sur terre qui est nettement moins cher que des éléments comme le nickel et le cobalt, qui sont généralement utilisés dans les cathodes actuelles.
« Le manganèse est au moins cinq fois moins cher que le nickel et environ trente fois moins cher que le cobalt », explique Li. « Le manganèse est également l’un des éléments clés pour obtenir des densités énergétiques plus élevées. Le fait que ce matériau soit beaucoup plus abondant sur Terre constitue donc un avantage considérable. »
Une voie potential vers des infrastructures d’énergie renouvelable
Cet avantage sera particulièrement essential, ont écrit Li et ses co-auteurs, alors que le monde cherche à construire l’infrastructure d’énergie renouvelable nécessaire à un avenir à faible émission de carbone, voire sans carbone.
Les batteries sont un élément particulièrement vital de ce tableau, non seulement en raison de leur potentiel de décarbonisation des transports grâce aux voitures, bus et camions électriques, mais aussi parce qu’elles seront essentielles pour résoudre les problèmes d’intermittence de l’énergie éolienne et solaire en stockant l’excès d’énergie, puis en la réinjectant dans le réseau la nuit ou les jours calmes, lorsque la manufacturing d’énergie renouvelable diminue.
Étant donné le coût élevé et la rareté relative de matériaux comme le cobalt et le nickel, écrivent-ils, les efforts visant à augmenter rapidement la capacité de stockage électrique entraîneraient probablement des pics de coûts extrêmes et des pénuries de matériaux potentiellement importantes.
« Si nous voulons parvenir à une véritable électrification de la manufacturing d’énergie, des transports et plus encore, nous avons besoin de batteries en abondance sur Terre pour stocker l’énergie photovoltaïque et éolienne intermittente », explique Li. « Je pense que c’est l’une des étapes vers ce rêve. »
Ce sentiment est partagé par Gerbrand Ceder, titulaire de la chaire distinguée Samsung en nanosciences et nanotechnologies et professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Université de Californie à Berkeley.
« Les batteries lithium-ion sont un élément essentiel de la transition vers une énergie propre », explique Ceder. « Leur croissance proceed et la baisse de leur prix dépendent du développement de matériaux de cathode peu coûteux et performants fabriqués à partir de matériaux abondants sur terre, comme le montre cet article. »
Surmonter les obstacles liés aux matériaux existants
La nouvelle étude aborde l’un des principaux défis auxquels sont confrontées les cathodes de sel gemme désordonnées : la mobilité de l’oxygène.
Bien que ces matériaux soient reconnus depuis longtemps pour offrir une capacité très élevée – jusqu’à 350 milliampères-heure par gramme – par rapport aux matériaux cathodiques traditionnels, qui ont généralement des capacités includes entre 190 et 200 milliampères-heure par gramme, ils ne sont pas très stables.
La capacité élevée est due en partie à la redox de l’oxygène, qui est activée lorsque la cathode est chargée à haute stress. Mais lorsque cela se produit, l’oxygène devient cell, ce qui entraîne des réactions avec l’électrolyte et la dégradation du matériau, le rendant finalement inutilisable après un cycle prolongé.
Pour surmonter ces défis, Huang a ajouté un autre élément – le phosphore – qui agit essentiellement comme une colle, maintenant l’oxygène en place pour atténuer la dégradation.
« La principale innovation ici, et la théorie sur laquelle repose la conception, est que Yimeng a ajouté juste la bonne quantité de phosphore, formant ainsi des polyanions avec les atomes d’oxygène voisins, dans une construction de sel gemme déficiente en cations qui peut les fixer », explique Li. « Cela nous permet d’arrêter le transport d’oxygène par percolation en raison de la forte liaison covalente entre le phosphore et l’oxygène… ce qui signifie que nous pouvons à la fois utiliser la capacité apportée par l’oxygène, mais aussi avoir une bonne stabilité. »
Selon Li, cette capacité à charger des batteries à des tensions plus élevées est cruciale automobile elle permet à des systèmes plus simples de gérer l’énergie qu’ils stockent.
« On peut dire que la qualité de l’énergie est meilleure », dit-il. « Plus la stress par cellule est élevée, moins il est nécessaire de les connecter en série dans le pack de batteries et plus le système de gestion de la batterie est easy. »
Ouvrir la voie aux études futures
Bien que le matériau de la cathode décrit dans l’étude puisse avoir un affect transformateur sur la technologie des batteries lithium-ion, il existe encore plusieurs pistes d’étude pour l’avenir.
Parmi les domaines d’étude futurs, selon Huang, figurent les efforts visant à explorer de nouvelles façons de fabriquer le matériau, en particulier pour des considérations de morphologie et d’évolutivité.
« Actuellement, nous utilisons le broyage à billes à haute énergie pour la synthèse mécanochimique, et… la morphologie qui en résulte n’est pas uniforme et présente une taille moyenne de particules faible (environ 150 nanomètres). Cette méthode n’est pas non plus tout à fait évolutive », dit-il. « Nous essayons d’obtenir une morphologie plus uniforme avec des tailles de particules plus grandes en utilisant des méthodes de synthèse alternate options, ce qui nous permettrait d’augmenter la densité énergétique volumétrique du matériau et pourrait nous permettre d’explorer certaines méthodes de revêtement… qui pourraient encore améliorer les performances de la batterie. Les méthodes futures, bien sûr, devraient être évolutives à l’échelle industrielle. »
De plus, ajoute-t-il, le sel gemme désordonné n’est pas un très bon conducteur en soi, c’est pourquoi des quantités importantes de carbone – jusqu’à 20 % en poids de la pâte cathodique – ont été ajoutées pour améliorer sa conductivité. Si l’équipe parvient à réduire la teneur en carbone de l’électrode sans sacrifier les performances, la teneur en matière energetic d’une batterie sera plus élevée, ce qui entraînera une augmentation de la densité énergétique pratique.
« Dans cet article, nous avons simplement utilisé du Tremendous P, un carbone conducteur classique composé de nanosphères, mais elles ne sont pas très efficaces », explique Huang. « Nous étudions maintenant l’utilisation de nanotubes de carbone, qui pourraient réduire la teneur en carbone à seulement 1 ou 2 % en poids, ce qui pourrait nous permettre d’augmenter considérablement la quantité de matériau cathodique actif. »
Outre la réduction de la teneur en carbone, la fabrication d’électrodes épaisses est un autre moyen d’augmenter la densité énergétique pratique de la batterie, ajoute-t-il. C’est un autre domaine de recherche sur lequel travaille l’équipe.
« Ce n’est que le début des recherches sur le DRXPS, automobile nous n’avons exploré que quelques chimies dans son vaste espace de composition », poursuit-il. « Nous pouvons jouer avec différents ratios de lithium, de manganèse, de phosphore et d’oxygène, et avec diverses combinaisons d’autres éléments formant des polyanions tels que le bore, le silicium et le soufre. »
Avec des compositions optimisées, des méthodes de synthèse plus évolutives, une meilleure morphologie qui permet des revêtements uniformes, une teneur en carbone plus faible et des électrodes plus épaisses, dit-il, la famille de cathodes DRXPS est très prometteuse dans les purposes des véhicules électriques et du stockage sur réseau, et peut-être même dans l’électronique grand public, où la densité énergétique volumétrique est très importante.
Rapport de recherche :« Cathodes polyanions-sel gemme intégrées avec excès de lithium et cycle stabilisé »
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