Une stratégie évolutive pour synthétiser des cathodes monocristallines plus pures et plus performantes.

14 avril 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Les ingénieurs énergétiques et les scientifiques des matériaux s'efforcent continuellement de créer des technologies de batterie sûres présentant des densités d'énergie et des rendements supérieurs, ainsi que des cycles de vie plus longs. Les batteries lithium-ion (LiBs) étant parmi les technologies de batterie les plus répandues, de nombreux efforts de recherche actuels se concentrent sur l'amélioration des composants individuels de ces batteries, y compris les cathodes, les électrodes positives à l'intérieur des cellules de la batterie.

La plupart des cathodes proposées pour les LiBs ont des morphologies polycristallines, ce qui signifie qu'elles sont constituées de particules cristallines multiples et différentes. Bien que ces cathodes soient faciles à fabriquer à grande échelle, elles ont tendance à se fissurer pendant le cyclage de la batterie, ce qui peut isoler certains matériaux actifs à l'intérieur d'elles, les exposant aux électrolytes liquides et potentiellement dégrader les performances de la batterie.

Les cathodes monocristallines, qui sont basées sur des particules cristallines de taille de grain unique, pourraient potentiellement aider à surmonter cette limitation cruciale des cathodes polycristallines. Cependant, leur fabrication fiable à l'aide de processus évolutifs s'est jusqu'à présent révélée difficile.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en Corée du Sud ont récemment introduit une nouvelle stratégie évolutive pour la synthèse de cathodes monocristallines à haute pureté de phase et de bonnes performances électrochimiques. Cette stratégie, introduite dans Nature Energy, consiste à utiliser des sels de Li fondus pour corroder les limites entre les grains plus petits et les transformer en cristaux plus gros, ce qui donne des cathodes monocristallines stratifiées.

'Confinée par la plage de température accessible pour éviter l'évaporation de lithium, les défauts de réseau et les agglomérations de particules, la production de cathodes monocristallines avec une haute pureté de phase, de bonnes performances électrochimiques et une évolutivité reste un défi', ont déclaré Moonsu Yoon, Yanhao Dong et leurs collègues à Tech Xplore.

'Nous avons inventé un nouveau processus d'activation mécano-chimique qui offre une solution générale à la difficulté de synthétiser des cathodes monocristallines à structure grossière avec une chimie riche en Li-/Mn ou riche en Ni, ce qui diffère des voies mécano-chimiques équipement- et énergie-intenses et à durée prolongée qui sont difficiles à mettre à l'échelle.'

La stratégie de synthèse de cathodes monocristallines proposée par Yoon, Dong et leurs collègues est basée sur une technique de déagglomération centrifuge planétaire. L'équipe a montré que cette stratégie pourrait permettre la production évolutivestratégiquec de cathodes monocristallines à partir de matériaux faciles à sourcer, car ils sont commercialement disponibles.

'Notre approche est basée sur un mouillage réactif interfacial, médié par des sels eutectiques transitoires fondus in situ par des agitations mécaniques modérées, pour former une suspension colloïdale d'oxydes nanométriques dispersés dans des sels de lithium liquides', ont écrit Yoon, Dong et leurs collègues dans leur article. 'Il dé-agglomère efficacement les précurseurs polycristallins, reconditionne les cristaux et homogénéise la distribution de sels de lithium, permettant ainsi une grossissement facile des particules ultérieurement dans la morphologie monocristalline avec une performance électrochimique améliorée.'

Notamment, les sels de Li fondus utilisés par les chercheurs peuvent produire les réactions souhaitées sans avoir besoin de produits chimiques supplémentaires. Leur stratégie de synthèse peut également être facilement intégrée aux processus de fabrication de cathodes existants, ce qui pourrait faciliter considérablement son adoption généralisée.

Cette étude récente pourrait bientôt influencer le développement de stratégies supplémentaires pour créer des cathodes monocristallines hautement performantes pour les LiBs. Collectivement, ces stratégies pourraient contribuer à surmonter les limitations des cathodes existantes, ce qui contribuerait à la création de solutions de batterie de plus en plus avancées.

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