Qu’est-ce qui réduit la capacité et les performances des matériaux de pointe des batteries pour véhicules électriques (VE)? Selon des chercheurs soutenus par l’UE, ce serait le mouvement irrégulier des ions lithium.
La plupart des VE sont alimentés par des batteries lithium-ion, qui présentent l’une des densités énergétiques les plus élevées de toutes les technologies de batteries actuelles. Toutefois, étant donné qu’un nombre croissant de propriétaires de voitures à essence passent aux VE, le besoin d’une plus grande autonomie et d’un temps de charge plus court augmente également, et par conséquent la nécessité de trouver de nouveaux matériaux plus performants pour les batteries.
Les oxydes stratifiés avancés de lithium riches en nickel figurent parmi les matériaux les plus prometteurs et sont aujourd’hui largement utilisés dans les VE de luxe. Mieux comprendre leurs mécanismes de fonctionnement, et notamment celui du transport des ions lithium, est essentiel pour améliorer leurs performances électrochimiques. Cependant, à ce jour, ils conservent encore bien des secrets.
Des travaux de recherche soutenus par les projets SOLARX, MULTILAT et BATNMR, financés par l’UE, ont montré que, contrairement à ce que l’on pensait auparavant, le stockage des ions lithium dans les matériaux de batterie par des particules actives individuelles est loin d’être uniforme. En effet, l’équipe du projet a découvert que le mouvement irrégulier des ions lithium dans un matériau cathodique de nouvelle génération à base d’oxyde de manganèse-cobalt riche en nickel (NMC) est susceptible de réduire la capacité des batteries et d’entraver leurs performances. Cette étude a été publiée dans la revue «Joule».En s’appuyant sur la microscopie à diffusion optique in operando et la modélisation de diffusion, les chercheurs ont retracé la façon dont la lumière interagit avec les particules actives pendant le fonctionnement de la batterie. Ils ont observé de nettes différences dans le stockage du lithium au cours du cycle charge-décharge dans les particules de NMC. «C’est la première fois que cette non-uniformité dans le stockage du lithium est directement observée dans des particules individuelles», explique Alice Merryweather, doctorante et co-auteure principale des projets SOLARX, MULTILAT et BATNMR de l’université de Cambridge, hôte du projet, dans un article publié sur le site web de l’université. «Des techniques en temps réel comme les nôtres sont essentielles pour capturer ce phénomène pendant que la batterie fonctionne.»
Comme indiqué dans l’article, la non-uniformité susmentionnée du stockage du lithium a été attribuée aux changements radicaux que subit le taux de diffusion des ions lithium dans les NMC au cours du cycle charge-décharge. Les ions lithium se diffusent lentement dans les particules de NMC entièrement lithiées, mais lorsqu’un certain nombre d’ions lithium sont soustraits des particules, la diffusion augmente rapidement. La diffusion rapide observée lors de la délithiation — au début de la charge — est associée à des particules actives avec des surfaces déficientes en lithium et des noyaux riches en lithium. En revanche, la diffusion lente des ions dans les particules de NMC entièrement lithiées — vers la fin de la décharge de la batterie — est associée à des particules avec des surfaces riches en lithium et des noyaux pauvres en lithium.
«Notre modèle a prédit avec précision les distributions de lithium et a rendu compte du degré d’hétérogénéité observé dans les expériences», note le Dr Shrinidhi Pandurangi, coauteur principal, également rattaché à l’université de Cambridge. «Ces prédictions sont essentielles pour comprendre d’autres mécanismes de dégradation des batteries, comme la fracture des particules.»
L’hétérogénéité du lithium en fin de décharge permet d’expliquer pourquoi les cathodes riches en nickel perdent environ 10 % de leur capacité après le premier cycle charge-décharge. «C’est significatif, si l’on considère que l’une des normes industrielles utilisées pour déterminer si une batterie doit être mise au rebut ou non est le fait qu’elle a perdu 20 % de sa capacité», observe le Dr Chao Xu, co-auteur principal, de l’université ShanghaiTech, en Chine, qui a participé à l’étude alors qu’il était basé à Cambridge.
Les connaissances acquises dans le cadre de l’étude soutenue par SOLARX (Photon Management for Solar Energy Harvesting with Hybrid Excitonics), MULTILAT (Multi-phase Lattice Materials), et BATNMR (Development and Application of New NMR Methods for Studying Interphases and Interfaces in Batteries) ouvrent la voie à de nouvelles approches pour dépasser les problèmes de perte de capacité et augmenter la durée de vie des matériaux de batterie haute performance.
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