Une équipe de recherche dirigée par le professeur Jihyun Hong de l’Institut des matériaux ferreux et écologiques de POSTECH a développé une stratégie innovante pour améliorer la durabilité des matériaux riches en lithium. Ces travaux, réalisés le Dr Gukhyun Lim, offrent des perspectives prometteuses pour les batteries lithium-ion (LIB) de nouvelle génération. Les résultats, publiés dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnementmarquent un tournant dans l’optimisation des performances cathodiques.
Les batteries au cœur des technologies modernes
Les batteries lithium-ion sont devenues indispensables dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie (ESS). Le matériau riche en lithium, connu sous le nom de oxyde en couches riche en lithium (LLO), se distingue par une densité énergétique jusqu’à 20 % supérieure à celle des cathodes traditionnelles à base de nickel. Ce matériau réduit l’utilisation de métaux coûteux comme le nickel et le cobalt, au profit de composants plus accessibles comme le lithium et le manganèse. Cette alternative plus économique et durable suscite un intérêt croissantmais des limitations techniques entravent encore son adoption commerciale.
Les défis techniques de LLO
Malgré ses avantages, le LLO souffre d’un perte de capacité et dégradation de la tension au cours des cycles de charge-déchargecompromettant ainsi sa fiabilité à long terme. Des recherches antérieures ont identifié les transformations structurelles de la cathode comme le principal facteur d’instabilité. Cependant, les mécanismes sous-jacents restent peu explorés, rendant les solutions existantes inefficaces pour résoudre ces problèmes de manière durable.
Une approche centrée sur l’oxygène
L’équipe POSTECH a concentré ses travaux sur le rôle clé de l’émission d’oxygène, qui fragilise la structure du LLO lors des cycles de charge-décharge. Les chercheurs ont postulé qu’une meilleure stabilité chimique de l’interface cathode-électrolyte pourrait limiter cette émission. Partant de cette hypothèse, ils ont modifié la composition de l’électrolyte afin de renforcer cette interface critique. Résultat : une réduction significative des émissions d’oxygène.
Performances considérablement améliorées
Les résultats expérimentaux confirment les avancées majeures apportées par ce nouvel électrolyte. Après 700 cycles de charge-décharge, la rétention d’énergie atteint 84,3 %, contre seulement 37,1 % pour les électrolytes conventionnels après 300 cycles.. Cette amélioration représente une avancée notable en termes de durabilité et de performances de la batterie.
Crédits : POSTECH
Une compréhension approfondie des surfaces cathodiques
Les chercheurs ont également observé que les transformations à la surface du matériau LLO avaient un impact direct sur sa stabilité globale. Grâce au rayonnement synchrotron, ils ont pu analyser les différences chimiques et structurelles entre la surface et l’intérieur des particules cathodiques. Cette étude a mis en évidence l’importance de la stabilité de surface pour limiter les réactions indésirables, telles que la décomposition des électrolytes.
Vers une nouvelle génération de batteries
Selon le professeur Jihyun Hong, « ces travaux offrent des pistes prometteuses pour le développement de matériaux cathodiques de nouvelle génération. » En intégrant une analyse précise des interactions chimiques et une optimisation de la composition de l’électrolyte, ces recherches ouvrent la voie à des batteries plus efficaces et durables, adaptées aux besoins des technologies modernes.
Accompagnement et perspectives
Cette avancée a été réalisée grâce au soutien du ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie, ainsi que du ministère des Sciences et des TIC de Corée du Sud. Le financement pour 2024, alloué par la Fondation nationale de la recherche, a joué un rôle déterminant dans ces progrès.
L’innovation portée par l’équipe POSTECH représente une étape décisive dans l’amélioration des batteries lithium-ion. En résolvant des problèmes structurels critiques, cette recherche offre une alternative durable et performante aux cathodes traditionnelles. Ces avancées technologiques permettront de répondre aux demandes croissantes des secteurs des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie, tout en respectant les contraintes économiques et environnementales.
Source de l’article : http://dx.doi.org/10.1039/D4EE02329C
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