Au cours de la dernière décennie, le sel gemme désordonné a été étudié comme matériau cathodique révolutionnaire potentiel pour une utilisation dans les batteries lithium-ion et comme clé pour créer un stockage à faible coût et à haute énergie pour tout, des téléphones portables aux véhicules électriques en passant par le stockage d’énergie renouvelable. Une nouvelle étude du MIT s’assure que le matériau tient cette promesse. Dirigée par Ju Li, professeur de génie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company et professeur de science et d’ingénierie des matériaux, une équipe de chercheurs décrit une nouvelle classe de cathodes de sel gemme partiellement désordonnées, intégrées à des polyanions – surnommées spinelle désordonnée de sel gemme-polyanionique, ou DRXPS — qui offre une densité d’énergie élevée à haute tension avec une stabilité de cyclage considérablement améliorée.
Il est important, ajoute Li, que la nouvelle famille de matériaux est principalement composée de manganèse, un élément abondant sur terre qui est nettement moins cher que des éléments comme le nickel et le cobalt, qui sont généralement utilisés aujourd’hui dans les cathodes. Une voie possible vers une infrastructure d’énergies renouvelables Cet avantage sera particulièrement crucial, ont écrit Li et ses co-auteurs, alors que le monde cherche à construire l’infrastructure d’énergie renouvelable nécessaire à un avenir faible ou nul en carbone.
Les batteries jouent un rôle particulièrement important dans ce contexte, non seulement en raison de leur potentiel à décarboner les transports avec les voitures, les bus et les camions électriques, mais aussi parce qu’elles seront essentielles pour résoudre les problèmes d’intermittence de l’énergie éolienne et solaire en stockant l’énergie excédentaire, puis en stockant l’énergie excédentaire. le réinjecter dans le réseau la nuit ou les jours calmes, lorsque la production renouvelable diminue.
Compte tenu du coût élevé et de la rareté relative de matériaux comme le cobalt et le nickel, écrivent-ils, les efforts visant à augmenter rapidement la capacité de stockage d’électricité entraîneraient probablement des hausses de coûts extrêmes et des pénuries de matériaux potentiellement importantes. Surmonter les obstacles liés aux matériaux existants La nouvelle étude aborde l’un des défis majeurs auxquels sont confrontées les cathodes de sel gemme désordonnées : la mobilité de l’oxygène.
Bien que ces matériaux soient reconnus depuis longtemps pour offrir une capacité très élevée – jusqu’à 350 milliampères-heure par gramme – par rapport aux matériaux cathodiques traditionnels, qui ont généralement des capacités comprises entre 190 et 200 milliampères-heure par gramme, ils ne sont pas très stables. . La capacité élevée est due en partie au rédox de l’oxygène, qui est activé lorsque la cathode est chargée à des tensions élevées. Mais lorsque cela se produit, l’oxygène devient mobile, entraînant des réactions avec l’électrolyte et une dégradation du matériau, le rendant finalement inutile après un cycle prolongé. Ouvrir la voie aux études futures Bien que le matériau cathodique décrit dans l’étude puisse avoir un impact transformateur sur la technologie des batteries lithium-ion, il existe encore plusieurs pistes d’étude.
Selon Huang, parmi les domaines d’études futures figurent les efforts visant à explorer de nouvelles façons de fabriquer le matériau, en particulier pour des considérations de morphologie et d’évolutivité. De plus, dit-il, le sel gemme désordonné en lui-même n’est pas un particulièrement bon conducteur, c’est pourquoi des quantités importantes de carbone – jusqu’à 20 % en poids de la pâte cathodique – ont été ajoutées pour augmenter sa conductivité. Si l’équipe parvient à réduire la teneur en carbone de l’électrode sans sacrifier les performances, la batterie aura une teneur en matière active plus élevée, ce qui entraînera une densité d’énergie pratique accrue.
Outre la diminution de la teneur en carbone, la fabrication d’électrodes épaisses, ajoute-t-il, constitue un autre moyen d’augmenter la densité énergétique pratique de la batterie. C’est un autre domaine de recherche sur lequel l’équipe travaille. Ce travail a été soutenu grâce au financement du Honda Research Institute USA Inc. et de la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory, et a utilisé les ressources de la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory et de la Advanced Photon Source du Argonne National Laboratory.
En savoir plus : https://news.mit.edu/2024/study-disordered-rock-salts-battery-breakthrough-0823
