Une étude fournit un aperçu du processus clé dans les cathodes riches en lithium qui aide et nuit à la performance de la batterie; oxydation de l'oxygène – Location BMW C Evolution sur Paris

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Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Stanford, du Laboratoire national d’accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et du Laboratoire national Lawrence Berkeley a permis de mieux comprendre un phénomène qui aide et nuit à la performance des batteries Li-ion.

Les matériaux de batterie commerciaux actuels ne peuvent libérer que la moitié environ des ions lithium qu’ils contiennent. Une solution consiste à encombrer les cathodes avec des ions lithium supplémentaires, leur permettant de stocker plus d'énergie dans le même espace. Mais, pour une raison quelconque, chaque nouveau cycle de charge et de décharge dépouille lentement ces cathodes riches en lithium de leur tension et de leur capacité.

La nouvelle étude, publiée dans Matériaux de la nature, fournit un modèle complet de ce processus, identifiant ce qui l’entraîne et comment il conduit finalement à la perte de la batterie.

Cette recherche a abordé de nombreuses idées fausses sur le terrain. Il reste un long chemin à parcourir, mais nous avons maintenant une compréhension de base des propriétés qui conduisent à ce processus qui va nous aider à exploiter son pouvoir plutôt que de le poignarder dans le noir.

-Etude William plomb Gent, Université de Stanford Siebel Scholar et lauréat d'une bourse Advanced Light Source et moléculaire Fonderie de doctorat à Berkeley Lab

Les cathodes de batterie riches en lithium ressemblent à des éponges super-absorbantes, capables d'absorber près de deux fois plus d'ions de lithium que les cathodes commerciales, accumulant jusqu'à deux fois l'énergie dans le même espace. Cela pourrait permettre de batteries de téléphone plus petites et de véhicules électriques qui voyagent plus longtemps entre les charges.

La plupart des cathodes de batterie lithium-ion contiennent des couches alternées d'oxydes de lithium et de métaux de transition, éléments tels que le nickel ou le cobalt associés à de l'oxygène. Dans les batteries commerciales, chaque fois qu'un atome de lithium quitte la cathode pour l'anode, un électron est accroché à un atome de métal de transition. Ces électrons créent le courant électrique et la tension nécessaires pour charger le matériau.

Mais quelque chose de différent se produit dans les batteries riches en lithium.

Une caractéristique inhabituelle des cathodes riches en lithium est que l'électron provient de l'oxygène plutôt que du métal de transition. Ce processus, appelé oxydation à l'oxygène, permet aux cathodes d'extraire environ 90% du lithium à une tension suffisamment élevée pour augmenter l'énergie stockée dans la batterie.

—Michael Toney, scientifique distingué du SLAC et co-auteur

La précédente étude des auteurs, publiée dans Nature Communications, a montré que chaque fois que des ions lithium sortent de la cathode et pénètrent dans l’anode, des atomes de métaux de transition s’y glissent et la structure atomique de la cathode devient un peu plus complexe. La structure en couches essentielle aux performances de la cathode s’écroule lentement, réduisant sa tension et sa capacité.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont montré que cela est dû au fait que retirer l'électron de l'oxygène lui donne envie de former une autre liaison et que les atomes de métaux de transition doivent se déplacer pour s'adapter à cette liaison, ce qui modifie la structure atomique.

La chimie redox haute tension réversible est un composant essentiel de nombreuses technologies électrochimiques, des catalyseurs électriques aux batteries lithium-ion. Le rédox oxygène-anion a suscité un vif intérêt pour de telles applications, en particulier les batteries lithium-ion, car il offre une capacité rédox substantielle à plus de 4 V par rapport à Li / Li + dans divers matériaux à base d’oxydes. Cependant, l'oxydation de l'oxygène est presque universellement corrélée à des transformations structurelles locales irréversibles, à une hystérésis de tension et à une évanouissement de la tension, ce qui exclut actuellement son utilisation généralisée.

En étudiant de manière exhaustive le Li2−xIr1-ySnyO3 Nous montrons que ce couplage structure-rédox découle de la stabilisation locale de liaisons π courtes métal – oxygène d'environ 1,8 Å et d'environ 1,4 Å dimères O – O pendant le redox oxygène. , qui se produit à Li2−xIr1-ySnyO3 par transfert de charge ligand-métal.

De manière cruciale, la formation de ces espèces d'oxygène oxydé nécessite la décoordination de l'oxygène en un seul partenaire de liaison covalente par la formation de lacunes sur les sites de cation voisins, entraînant un trouble des cations. Ces connaissances permettent d’établir une explication point par défaut de la raison pour laquelle le rédox anionique se produit souvent à côté du désordre structurel local et de l’hystérésis de tension pendant le cycle.

—Hong et al.

Selon Toney, il a fallu combiner la théorie et de nombreuses méthodes expérimentales, réalisées à la source de lumière synchrotron de Stanford (SSRL), ainsi qu’à la source de lumière avancée (ALS) et à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, pour résoudre ce problème complexe.

Cette combinaison a permis à l’équipe de démontrer de manière concluante la force motrice puissante à l’origine des modifications de la configuration de la liaison de la cathode pendant l’oxydation de l’oxygène. La prochaine étape, dit Toney, consiste à trouver des moyens de produire ces changements sans perturber complètement la structure cristalline de la cathode.

Étant donné que l'oxydation de l'oxygène génère une densité d'énergie supplémentaire, pouvoir le comprendre et le contrôler peut potentiellement changer la donne dans les véhicules électriques. Jusqu'à présent, les progrès dans ce domaine ont été en grande partie progressifs, avec des améliorations de seulement quelques pour cent par an. Si nous pouvions trouver un moyen de faire en sorte que cela fonctionne, ce serait un énorme pas en avant dans la mise en pratique de cette technologie.

—William Chueh, professeur adjoint en sciences des matériaux à Stanford, qui a co-dirigé l'étude

L’équipe de recherche comprenait également des chercheurs de l’Université de Californie, de Berkeley et du Laboratoire national Argonne du DOE. SSRL, ALS et Molecular Foundry sont des installations utilisables par le DOE Office of Science. Cette recherche a été financée par les bureaux du Département de l'énergie, des sciences et de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables, du Programme de recherche sur les matériaux de batterie, du Bureau de la recherche sur les technologies de l'énergie et de l'énergie.

Ressources

  • Jihyun Hong, William E. Gent, Penghao Xiao, Kipil Lim, Dong-Hwa Seo, Jinpeng Wu, Peter M. Csernica, Christopher J. Takacs, Dennis Nordlund, Cheng-Jun Sun, Kevin H. Stone, Donata Passarello, Wanli Yang , David Prendergast, Gerbrand Ceder, Michael F. Toney et William C. Chueh (2019) «La décoordination métal – oxygène stabilise le rédox anionique dans les oxydes riches en Li» Matériaux de la nature doi: 10.1038 / s41563-018-0276-1

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