Les scientifiques ont découvert que la formation de « trous d’oxygène » dégrade considérablement les matériaux cathodiques riches en Ni dans les batteries lithium-ion. À l’aide de techniques informatiques avancées, ils ont identifié un mécanisme de perte d’oxygène, proposant des dopants pour améliorer la stabilité et la longévité de la batterie.
Les scientifiques ont réalisé une avancée significative dans la compréhension et la résolution des défis associés aux matériaux cathodiques riches en Ni utilisés dans les batteries lithium-ion.
Bien que ces matériaux puissent atteindre des tensions et des capacités élevées, leur utilisation dans le monde réel a été limitée par des problèmes structurels et l’épuisement de l’oxygène.
Leur étude a révélé que la formation de « trous d’oxygène » – dans lesquels un ion oxygène perd un électron – joue un rôle crucial dans la dégradation du LiNiO.2 des cathodes accélérant la libération d’oxygène qui peut alors dégrader davantage le matériau cathodique.
En utilisant un ensemble de techniques informatiques de pointe sur des supercalculateurs régionaux britanniques, les chercheurs ont examiné le comportement de LiNiO.2 cathodes à mesure qu’elles sont chargées. Ils ont constaté que pendant le chargement, l’oxygène présent dans le matériau subit des changements tandis que la charge de nickel reste essentiellement inchangée.
Le co-auteur, le professeur Andrew J. Morris, de l’Université de Birmingham, a commenté : « Nous avons constaté que la charge des ions nickel reste autour de +2, qu’ils soient sous leur forme chargée ou déchargée. Dans le même temps, la charge d’oxygène varie de -1,5 à environ -1. C’est inhabituel, le modèle conventionnel suppose que l’oxygène reste à -2 tout au long du chargement, mais ces changements montrent que l’oxygène n’est pas très stable et nous avons trouvé un moyen pour qu’il quitte la cathode riche en nickel.
Les chercheurs ont comparé leurs calculs avec des données expérimentales et ont constaté que leurs résultats correspondaient bien à ce qui avait été observé. Ils ont proposé un mécanisme de perte d’oxygène au cours de ce processus, impliquant la combinaison de radicaux oxygène pour former un ion peroxyde, qui est ensuite converti en oxygène gazeux, laissant des vides dans le matériau. Ce processus libère de l’énergie et forme de l’oxygène singulet, une forme d’oxygène hautement réactive.
« Potentiellement, en ajoutant des dopants qui réduisent le rédox de l’oxygène, tout en favorisant le rédox des métaux de transition, en particulier à la surface, en atténuant la génération d’oxygène singulet, nous pouvons améliorer la stabilité et la longévité de ces types de batteries lithium-ion, ouvrant la voie à des systèmes de stockage d’énergie plus efficaces et plus fiables », ajoute la première auteure, le Dr Annalena Genreith-Schriever de l’Université de Cambridge.
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour diverses applications en raison de leur densité énergétique élevée et de leur capacité de recharge, mais les défis associés à la stabilité des matériaux cathodiques ont entravé leurs performances globales et leur durée de vie.
