Des améliorations dans la technologie des batteries lithium-ion ont été réalisées en introduisant des éléments abondants dans le matériau de la cathode, en améliorant la capacité énergétique et la stabilité et en réduisant l'impact environnemental, ouvrant ainsi la voie à une commercialisation future. Crédit : Science Graphics. Co., Ltd.
Les chercheurs ont considérablement amélioré les performances des cathodes lithium-oxyde de fer utilisées dans les batteries lithium-ion en les dopant d’éléments abondants comme l’aluminium et le silicium.
Le cycle de charge-recharge de l’oxyde de fer super riche en lithium, une cathode rentable et de grande capacité pour les batteries lithium-ion de nouvelle génération, peut être considérablement amélioré par dopage avec des éléments minéraux facilement disponibles.
La capacité énergétique et le cycle de charge-recharge (cyclabilité) du lithium-oxyde de fer, un matériau cathodique rentable pour les batteries lithium-ion rechargeables, sont améliorés par l'ajout de petites quantités d'éléments abondants. Le développement, réalisé par des chercheurs de l'Université de Hokkaido, de l'Université du Tohoku et de l'Institut de technologie de Nagoya, est rapporté dans la revue Lettres de matériaux ACS.
Les batteries lithium-ion sont devenues indispensables dans la vie moderne, utilisées dans une multitude d'applications, notamment les téléphones mobiles, les véhicules électriques et les grands systèmes de stockage d'énergie. Un effort de recherche constant est en cours pour accroître leur capacité, leur efficacité et leur durabilité. Un défi majeur consiste à réduire la dépendance à l’égard de ressources rares et coûteuses. Une approche 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.
Développements et défis de la recherche
Les chercheurs ont travaillé pour améliorer les performances des cathodes basées sur un composé particulier de lithium-oxyde de fer. En 2023, ils ont signalé un matériau cathodique prometteur, Li5FeO4, qui présente une grande capacité d'utilisation des réactions redox du fer et de l'oxygène. Cependant, son développement s’est heurté à des problèmes liés à la production d’oxygène lors des cycles de charge-recharge.
« Nous avons maintenant découvert que la cyclabilité pouvait être considérablement améliorée en dopant de petites quantités d'éléments abondamment disponibles tels que l'aluminium, le silicium, le phosphore et le soufre dans la structure cristalline de la cathode », explique le professeur agrégé Hiroaki Kobayashi du Département de chimie de la Faculté de Science, Université d'Hokkaido.
La rétention de capacité de la cathode au lithium-oxyde de fer est améliorée de 50 % à 90 % lorsqu'elle est dopée avec des éléments abondamment disponibles tels que l'aluminium, le silicium, le phosphore et le soufre. Crédit : Hiroaki Kobayashi
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 d'oxygène moins favorable sur le plan énergétique, et donc moins susceptible de se produire », explique Kobayashi.
Les chercheurs ont utilisé l’analyse d’absorption des rayons X et des calculs théoriques pour explorer les moindres détails des changements dans la structure du matériau cathodique provoqués par l’introduction de différents éléments dopants. Cela leur a permis de proposer des explications théoriques aux améliorations observées. Ils ont également utilisé une analyse électrochimique pour quantifier les améliorations de la capacité énergétique, de la stabilité et du cycle entre les phases de charge et de décharge de la cathode, montrant une augmentation de la rétention de 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 cruciaux si l'énergie électrique doit largement remplacer l'utilisation des combustibles fossiles, comme l'exigent les efforts mondiaux de lutte contre le changement climatique », conclut Kobayashi. .
La prochaine phase de la recherche consistera à explorer les défis et les possibilités liés à la mise à l'échelle des méthodes en une technologie prête à être commercialisée.
