Un nouveau matériau d'anode pourrait conduire à une sécurité plus rapide

Des scientifiques de l'UC San Diego ont découvert un nouveau matériau d'anode qui permet aux batteries lithium-ion d'être rechargées en toute sécurité en quelques minutes pendant des milliers de cycles. Connue sous le nom de sel gemme désordonné, la nouvelle anode est composée d'atomes de lithium, de vanadium et d'oxygène abondants dans la terre disposés de la même manière que le sel de cuisine ordinaire, mais de manière aléatoire. Il est prometteur pour les applications commerciales où une densité d'énergie élevée et une puissance élevée sont souhaitées, telles que les voitures électriques, les aspirateurs ou les perceuses.

L'étude, menée conjointement par des nanoingénieurs dans les laboratoires des professeurs Ping Liu et Shyue Ping Ong, a été publiée dans Nature le 2 septembre.

Actuellement, deux matériaux sont utilisés comme anodes dans la plupart des batteries lithium-ion disponibles dans le commerce qui alimentent des appareils tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables et les véhicules électriques. La plus courante, une anode en graphite, est extrêmement dense en énergie - une batterie lithium-ion avec une anode en graphite peut alimenter une voiture sur des centaines de kilomètres sans avoir besoin d'être rechargée. Cependant, la recharge trop rapide d'une anode en graphite peut entraîner un incendie et des explosions en raison d'un processus appelé placage au lithium métallique. Une alternative plus sûre, l'anode au titanate de lithium, peut être rechargée rapidement mais entraîne une diminution significative de la densité d'énergie, ce qui signifie que la batterie doit être rechargée plus fréquemment.

Cette nouvelle anode de sel gemme désordonnée - Li3V2O5 - se situe dans un terrain d'entente important : elle est plus sûre à utiliser que le graphite, tout en offrant une batterie avec au moins 71 % d'énergie en plus que le titanate de lithium.

"La capacité et l'énergie seront un peu inférieures à celles du graphite, mais il est plus rapide, plus sûr et a une durée de vie plus longue. Il a une tension beaucoup plus faible et donc une densité d'énergie bien améliorée par rapport aux anodes au lithium-titanate à charge rapide actuellement commercialisées", a déclaré Haodong. Liu, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du professeur Ping Liu et premier auteur de l'article. "Ainsi, avec ce matériau, nous pouvons fabriquer des batteries sûres et à charge rapide avec une longue durée de vie, sans sacrifier trop de densité d'énergie."

La structure cristalline du sel gemme désordonné -Li3V2O5. Les boules rouges représentent O, le tétraèdre bleu représente Li dans les sites tétraédriques et l'octaèdre vert représente les sites octaédriques partagés Li/V

Les chercheurs ont formé une société appelée Tyfast afin de commercialiser cette découverte. Les premiers marchés de la startup seront les bus électriques et les outils électriques, car les caractéristiques du sel gemme désordonné Li3V2O5 le rendent idéal pour une utilisation dans des appareils où la recharge peut être facilement programmée.

Les chercheurs du laboratoire du professeur Liu prévoient de continuer à développer ce matériau d'anode en oxyde de lithium-vanadium, tout en optimisant d'autres composants de batterie pour développer une cellule complète commercialement viable.

« Pendant longtemps, la communauté des batteries a recherché un matériau d'anode fonctionnant à un potentiel juste au-dessus du graphite pour permettre des batteries lithium-ion sûres et à charge rapide. Ce matériau comble une importante lacune dans les connaissances et les applications », a déclaré Ping Liu. "Nous sommes enthousiasmés par son potentiel commercial, car le matériau peut être une solution instantanée pour le processus de fabrication de batteries lithium-ion d'aujourd'hui."

Pourquoi essayer ce matériel ?

Les chercheurs ont expérimenté pour la première fois le sel gemme désordonné comme cathode de batterie il y a six ans. Depuis lors, beaucoup de travail a été fait pour transformer le matériau en une cathode efficace. Haodong Liu a déclaré que l'équipe de l'UC San Diego avait décidé de tester le matériau comme anode en se basant sur une intuition.

"Lorsque les gens l'utilisent comme cathode, ils doivent décharger le matériau à 1,5 volt", a-t-il déclaré. "Mais lorsque nous avons examiné la structure du matériau de la cathode à 1,5 volts, nous avons pensé que ce matériau avait une structure spéciale qui pourrait être capable d'héberger plus d'ions lithium, ce qui signifie qu'il peut aller à une tension encore plus basse pour fonctionner comme une anode."

Dans l'étude, l'équipe a découvert que leur anode de sel gemme désordonnée pouvait cycler de manière réversible deux ions lithium à une tension moyenne de 0,6 V, supérieure aux 0,1 V de graphite, éliminant le placage au lithium métal à un taux de charge élevé, ce qui rend la batterie plus sûre, mais inférieur au 1,5 V auquel le titanate de lithium intercale le lithium, et stocke donc beaucoup plus d'énergie.

Les chercheurs ont montré que l'anode Li3V2O5 peut être cyclée pendant plus de 6 000 cycles avec une diminution de capacité négligeable, et peut charger et décharger de l'énergie rapidement, délivrant plus de 40 % de sa capacité en 20 secondes. La basse tension et le taux élevé de transfert d'énergie sont dus à un mécanisme unique d'intercalation redistributive du lithium avec des barrières à faible énergie.

Le chercheur postdoctoral Zhuoying Zhu, du laboratoire virtuel des matériaux du professeur Shyue Ping Ong, a effectué des calculs théoriques pour comprendre pourquoi l'anode de sel gemme désordonnée Li3V2O5 fonctionne aussi bien.

« Nous avons découvert que Li3V2O5 fonctionne via un mécanisme de charge différent des autres matériaux d'électrode. Les ions lithium se réarrangent d'une manière qui se traduit à la fois par une basse tension et une diffusion rapide du lithium », a déclaré Zhuoying Zhu.

"Nous pensons qu'il existe d'autres matériaux d'électrode qui attendent d'être découverts et qui fonctionnent sur un mécanisme similaire", a ajouté Ong.

Les auteurs correspondants et premiers sur un appel Zoom. En haut à gauche dans le sens des aiguilles d'une montre : professeur Ping Liu, professeur Shyue Ping Ong, Haodong Liu, Jun Lu, professeur Huolin Xin et Zhuoying Zhu.

Les études expérimentales à l'UC San Diego ont été financées par des prix du fonds de démarrage de l'UC San Diego à Ping Liu, tandis que les études théoriques ont été financées par le ministère de l'Énergie et le programme d'infrastructure de données de spectroscopie locale (DIBBS) de la National Science Foundation. , et utilisé les ressources du San Diego Supercomputer Center fournies dans le cadre de l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

L'équipe a également collaboré avec des chercheurs d'Oak Ridge National Lab, qui ont utilisé la diffraction des neutrons pour déterminer la structure atomique du matériau Li3V2O5. Des chercheurs de l'UC Irvine et du Brookhaven National Lab dirigés par le professeur Huolin Xin ont effectué des études microscopiques à haute résolution pour résoudre les changements structurels après l'insertion du lithium. Enfin, les équipes d'Argonne National Lab dirigées par Jun Lu et Lawrence Berkeley National Lab ont mené des études de diffraction et d'absorption des rayons X pour révéler le changement structurel cristallin et les mécanismes de compensation de charge du matériau pendant la (dé)lithiation. Cette étude a utilisé des installations de laboratoire nationales, notamment la ligne de lumière VULCAN (Spallation Neutron Source at Oak Ridge National Lab), la ligne de lumière 17-BM (Advanced Photon Source at Argonne National Lab), la ligne de lumière 5.3.1 (Advanced Light Source at Lawrence Berkeley National Lab).

Titre de l'article : "Une anode de sel gemme désordonnée pour les batteries lithium-ion à charge rapide." Les co-auteurs incluent Haodong Liu, Zhuoying Zhu, Qizhang Yan, Sicen Yu, Yiming Chen, Yejing Li, Xing Xing, Yoonjung Choi, Shyue Ping Ong et Ping Liu, UC San Diego ; Xin He, Jun Feng, Robert Kostecki, Lawrence Berkeley National Laboratory ; Yan Chen, Ke An, Oak Ridge National Laboratory ; Rui Zhang, Huolin L. Xin, Université de Californie ; , Brookhaven National Laboratory ; Tongchao Liu, Matthew Li, Khalil Amine, Tianpin Wu, Jun Lu, Laboratoire national d'Argonne ; Lucy Gao, Lycée Del Norte ; Helen Sung-yun Cho, Canyon Crest Academy.

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