Le laboratoire national d'Argonne du DOE a développé une nouvelle conception visant à améliorer les performances et à réduire les coûts des batteries lithium-ion.
Les chercheurs d'Argonne affirment que le nouveau « conception « à double gradient » pour la cathode de la batterie augmente la capacité de stockage d'énergie, la stabilité et la durée de vie tout en réduisant les coûts.
En 2012, les chercheurs d'Argonne ont développé un nouveau matériau cathodique nickel-manganèse-cobalt pour augmenter la densité énergétique et la durabilité. L’équipe a récemment commencé à explorer les moyens de l’améliorer davantage.
Le fonctionnement à haute tension a tendance à provoquer la fissuration des particules cathodiques présentant des structures ordonnées en couches et à réagir davantage avec l'électrolyte de la batterie, dégradant ainsi les cathodes. La solution de l’équipe a consisté à fabriquer des particules cathodiques dans lesquelles la structure passe progressivement d’un matériau désordonné à la surface à un matériau ordonné et en couches dans le noyau. La surface est enrichie en cobalt tandis que l'intérieur est presque exempt de cobalt, soit moins de 2 % contre 10 à 20 % dans la conception originale.
La surface désordonnée des particules supprime la fissuration et la réactivité tandis que le noyau ordonné maximise le transport des ions. De cette manière, la cathode peut potentiellement atteindre une capacité et une stabilité élevées tout en fonctionnant à des tensions élevées.
L’équipe a réalisé une série d’expériences aux rayons X, aux électrons et à l’imagerie pour caractériser le nouveau matériau cathodique au repos et en fonctionnement. Ensemble, ces tests ont évalué le matériau aux niveaux cathodique, particulaire et atomique. Les tests ont confirmé que les particules restaient structurellement et chimiquement stables pendant le fonctionnement à haute tension.
Les particules à double gradient étaient plus durables que la conception originale d'Argonne, de sorte qu'après avoir chargé et déchargé le matériau 500 fois, celui-ci n'a perdu qu'environ 2 % de sa capacité de stockage. L'équipe a également constaté que la conception améliorait la capacité de la cathode à résister à la chaleur, ce qui est crucial pour garantir la sécurité des opérations à haute tension.
« Ce matériau révolutionnaire représente une amélioration globale pour les batteries », a déclaré Amine. « Il présente une capacité de stockage plus élevée, une stabilité robuste et une tolérance à la chaleur à haute tension, ainsi qu'une durée de vie plus longue. Sa haute densité énergétique permet la production de batteries plus petites et moins coûteuses, favorisant ainsi l’adoption généralisée des véhicules électriques et des batteries réseau. Notre processus de conception et de fabrication breveté est prêt à être autorisé par l'industrie.
Source: Laboratoire National d'Argonne
