Les batteries lithium-ion rechargeables jouent un rôle crucial dans la transition énergétique, mais leurs électrodes en couches d’oxyde deviennent instables pendant la charge, réduisant ainsi leur durée de vie. En introduisant un désordre chimique à courte portée dans le matériau de l'électrode, les chercheurs ont amélioré la stabilité structurelle, conduisant à une durée de vie plus longue et à des temps de charge plus courts.
Qu’est-ce qui détermine la durée de vie des batteries ? Et surtout, comment pouvons-nous l’étendre ? Une équipe de recherche internationale dirigée par la TU Delft a découvert qu'un désordre local dans le matériau de la cathode en oxyde augmente le nombre de fois où les batteries Li-ion peuvent être chargées et déchargées. Leurs résultats ont été publiés dans Nature.
Électrode instable
Les batteries rechargeables sont un élément clé de la transition énergétique, surtout maintenant que de plus en plus d’énergies renouvelables deviennent disponibles. Parmi les nombreux types de batteries rechargeables, les batteries Li-ion sont parmi les plus puissantes et les plus utilisées. Pour les connecter électriquement, des oxydes en couches sont souvent utilisés comme électrodes. Cependant, leur structure atomique devient instable lorsque la batterie est chargée. Cela affecte finalement la durée de vie de la batterie.
Trouble local
Pour résoudre ce problème, le groupe « Stockage de l'énergie électrochimique » de la TU Delft s'est associé à des chercheurs internationaux. L'auteur principal de l'article, Qidi Wang : « Les couches d'oxyde utilisées comme matériau cathodique pour les batteries Li-ion sont soigneusement ordonnées. Nous avons mené une étude de conception de structure pour introduire un désordre chimique à courte portée dans ce matériau grâce à une méthode de synthèse améliorée. En conséquence, il est devenu plus stable pendant l’utilisation de la batterie.
La stabilité structurelle améliorée a presque doublé la capacité de rétention de la batterie après 200 cycles de charge/décharge. Crédit : Roy Borghouts Photographie
Durée de vie plus longue, temps de charge plus court
La stabilité structurelle améliorée a presque doublé la capacité de rétention de la batterie après 200 cycles de charge/décharge. De plus, ce désordre chimique à courte portée augmente le transfert de charge dans l’électrode, ce qui entraîne des temps de charge plus courts. L'équipe a démontré ces avantages pour des cathodes commerciales bien établies telles que l'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2) et oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC811).
Matériaux critiques
Les résultats pourraient conduire à une nouvelle génération de batteries Li-ion, avec un coût de fabrication inférieur et des émissions de CO plus faibles.2 empreinte carbone par unité d’énergie stockée au cours de sa durée de vie. L’équipe étudiera ensuite si les mêmes principes de conception de matériaux peuvent être utilisés pour construire des cathodes à partir de matières premières moins rares. « Le cobalt et le nickel sont des matériaux dits critiques pour les technologies énergétiques et ce serait une bonne chose de réduire l'utilisation de ces matériaux dans les batteries », déclare l'auteur principal de l'article, Marnix Wagemaker.
