Un coup de pouce pour la durée de vie et la capacité de la batterie

Une nouvelle astuce chimique pour fabriquer des matériaux nanostructurés pourrait aider à augmenter l'autonomie et la fiabilité des voitures électriques et conduire à de meilleures batteries qui pourraient aider à stabiliser le réseau électrique.

Au service de l'énergie : Lorsque le phosphate de lithium-manganèse est cultivé à l'aide d'un nouveau procédé, il forme des plaques microscopiques (illustrées ici). Ces plaques conduisent à la fois les électrons et les ions lithium, ce qui en fait un matériau utile pour stocker l'électricité.

Les chercheurs du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) à Richland, WA, ont développé la technique, qui peut transformer un matériau d'électrode potentiel qui ne peut normalement pas stocker de l'électricité en un matériau qui stocke plus d'énergie que les matériaux de batterie similaires déjà sur le marché.

Dans un ouvrage publié dans la revue Lettres nano , les chercheurs du PNNL montrent que la cire de paraffine et l'acide oléique favorisent la croissance de nanostructures en plaques de phosphate de lithium-manganèse. Ces nanoplaques sont petites et minces, permettant aux électrons et aux ions (atomes ou molécules avec une charge positive ou négative) d'y entrer et d'en sortir facilement. Cela transforme le matériau - qui ne fonctionne généralement pas comme matériau de batterie en raison de sa très mauvaise conductivité - en un matériau qui stocke de grandes quantités d'électricité.

Lorsque les chercheurs ont mesuré les performances du matériau, ils ont découvert qu'il pouvait stocker 10 % d'énergie de plus que la capacité énergétique maximale théorique d'un matériau d'électrode commercial comparable, le phosphate de lithium-fer, utilisé dans les outils électriques et certains véhicules hybrides et électriques. .

L'approche pourrait ouvrir la porte à l'utilisation d'une large gamme de matériaux de batterie candidats qui sont désormais limités par leur capacité à conduire l'électricité et les ions lithium. La recherche dans le domaine a atteint le point où la plupart des matériaux de batterie à étudier ont une mauvaise conductivité, explique Daiwon Choi, chercheur en matériaux énergétiques au PNNL. La nouvelle méthode offre un moyen simple d'augmenter leur conductivité. Il dit que la méthode pourrait également être compatible avec les techniques conventionnelles de fabrication de batteries.

Le phosphate de lithium-fer et le phosphate de lithium-manganèse sont attrayants pour les électrodes de batterie car ils ont une structure atomique stable. Cette structure cristalline, appelée olivine, est bien plus stable que la structure cristalline des matériaux d'électrode utilisés dans les batteries d'ordinateurs portables et de téléphones portables. En conséquence, les matériaux d'olivine peuvent durer beaucoup plus longtemps que les trois ans que durent généralement les matériaux de batterie de téléphone portable. Certains fabricants affirment que les batteries lithium-phosphate de fer pourraient durer plus de 30 000 cycles complets de charge et de décharge sans perdre une grande partie de leur capacité à stocker de l'énergie, suffisamment pour que la batterie dure 50 ans, explique Choi.

En théorie, le phosphate de lithium-manganèse pourrait durer un nombre similaire de cycles, car il a une structure cristalline similaire. Mais il a l'avantage supplémentaire de pouvoir potentiellement stocker 20 % d'énergie en plus que le phosphate de lithium-fer, car il fonctionne à une tension plus élevée. Cependant, il a été particulièrement difficile de modifier le phosphate de lithium-manganèse pour surmonter le fait qu'il s'agit d'un isolant électrique.

Les tentatives précédentes ont nécessité le traitement de matériaux précurseurs dans une solution liquide avant de créer des matériaux de batterie solides, un processus trop coûteux pour une production commerciale. La nouvelle méthode développée au PNNL élimine cette étape distincte de traitement des liquides, simplifiant le processus et le rendant compatible avec les techniques de fabrication existantes.

Pour préparer le matériau, les chercheurs mélangent des précurseurs chimiques avec de la cire de paraffine et de l'acide oléique. La cire et l'acide agissent ensemble pour que les matériaux précurseurs forment des cristaux d'une taille et d'une forme bien contrôlées sans s'agglomérer. La cire se liquéfie aux températures élevées utilisées pour traiter le matériau et agit comme un solvant qui remplace l'étape de traitement liquide séparée utilisée dans les recherches antérieures.

Jusqu'à présent, le matériau ne peut être chargé qu'à de faibles taux (bien qu'il fournisse une puissance suffisamment rapide pour de nombreuses applications). Choi dit que l'une des prochaines étapes consiste à développer un meilleur processus de revêtement des nanoplaques avec du carbone, ce qui devrait améliorer la conductivité.

Bien que le phosphate de lithium-manganèse soit attrayant car il stocke plus d'énergie que le phosphate de lithium-fer, les deux occupent une quantité de volume relativement importante par rapport aux autres types d'électrodes pour batteries lithium-ion. Jeff Dahn, professeur de physique et de chimie à l'Université Dalhousie, affirme que cela pourrait finalement les rendre plus attrayants pour les applications stationnaires, telles que le stockage d'électricité sur le réseau électrique pour aider à atténuer la variabilité des sources renouvelables, que pour les véhicules électriques.

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