Piles : Modéliser aujourd'hui les matériaux de demain
Les simulations microstructurelles révèlent une forte influence des déformations élastiques sur le comportement de charge des oxydes en couches utilisés comme cathodes dans les batteries sodium-ion
Quels sont les facteurs qui déterminent la vitesse de charge d'une batterie ? Les chercheurs du Karlsruher Institut für Technologie (KIT) se penchent sur cette question et sur d'autres grâce à des simulations assistées par ordinateur. Des modèles de microstructure contribuent à la découverte et à l'étude de nouveaux matériaux d'électrodes. Pour l'oxyde de manganèse sodium-nickel utilisé comme matériau cathodique dans les batteries sodium-ion, les simulations montrent des modifications de la structure cristalline lors du processus de charge. Elles conduisent à une déformation élastique, ce qui entraîne une diminution de la capacité. Les chercheurs en font état dans la revue npj Computational Materials.
La recherche sur les nouveaux matériaux de batterie ne vise pas seulement à optimiser les performances et la durée de vie ainsi qu'à réduire les coûts. Il s'agit également de réduire les éléments rares comme le lithium et le cobalt ainsi que les composants toxiques. Les batteries sodium-ion, qui reposent sur des principes similaires à ceux des batteries lithium-ion, mais qui peuvent être fabriquées à partir de matières premières disponibles en quantité suffisante en Europe, sont considérées comme prometteuses. Elles conviennent pour des applications stationnaires et mobiles. "Les oxydes stratifiés tels que les oxydes de sodium, de nickel et de manganèse sont très prometteurs comme matériaux pour la cathode", rapporte le Dr Simon Daubner, chef de groupe à l'Institut des matériaux appliqués - modélisation et simulation des microstructures (IAM-MMS) du KIT et auteur correspondant de l'étude. Au sein du cluster d'excellence POLiS (acronyme de : Post Lithium Storage), il mène des recherches sur la technologie des ions sodium.
La charge rapide entraîne des tensions mécaniques.
Ces matériaux cathodiques posent toutefois un problème : les oxydes de sodium, de nickel et de manganèse modifient leur structure cristalline en fonction de la quantité de sodium stockée. Si le matériau est chargé lentement, tout se passe de manière ordonnée. "Couche après couche, le sodium quitte le matériau - comme dans un parking qui se vide étage par étage", explique Daubner. "Mais quand il faut aller vite, le sodium est extrait de tous les côtés". Il en résulte des tensions mécaniques qui peuvent endommager durablement le matériau.
Des chercheurs de l'Institut de nanotechnologie (INT) et de l'IAM-MMS du KIT, en collaboration avec des scientifiques de l'Université d'Ulm et du Centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW), ont maintenant mis en évidence ces relations à l'aide de simulations et en rendent compte dans npj Computational Materials, une revue du portefeuille Nature.
Les expériences confirment les résultats des simulations
"Les modèles informatiques peuvent décrire différentes échelles de longueur, de la disposition des atomes dans les matériaux d'électrode à leur microstructure et à la cellule en tant qu'unité fonctionnelle de chaque pile", explique Daubner. Ceux-ci combinent des modèles de microstructure avec des expériences de charge et de décharge lentes pour étudier l'oxyde stratifié NaXNi1/3Mn2/3O2. Ce matériau présente plusieurs mécanismes de dégradation qui entraînent une perte de capacité. C'est pourquoi il ne convient pas encore pour des applications commerciales. Lorsque la structure cristalline change, une déformation élastique se produit. Le cristal se rétrécit, ce qui peut entraîner des fissures et réduire la capacité disponible. Comme l'ont montré des simulations effectuées à l'INT et à l'IAM-MMS, cette influence mécanique est si forte qu'elle a une influence déterminante sur la vitesse à laquelle le matériau peut être chargé. Des études expérimentales menées au ZSW ont confirmé ces résultats.
Les connaissances acquises dans le cadre de cette étude peuvent en partie être appliquées à d'autres oxydes en couches. "Maintenant que nous comprenons les processus fondamentaux, nous pouvons nous consacrer à des travaux ultérieurs sur le développement de matériaux de batterie qui ont une longue durée de vie et qui se chargent le plus rapidement possible", résume Daubner. Ainsi, l'utilisation à grande échelle de batteries sodium-ion pourrait devenir une réalité d'ici cinq à dix ans.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Simon Daubner, Manuel Dillenz, Lukas Fridolin Pfeiffer, Cornelius Gauckler, Maxim Rosin, Nora Burgard, Jan Martin, Peter Axmann, Mohsen Sotoudeh, Axel Groß, Daniel Schneider, Britta Nestler; "Combined study of phase transitions in the P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2 cathode material: experimental, ab-initio and multiphase-field results"; npj Computational Materials, Volume 10, 2024-4-18
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