Une nouvelle stratégie électrocatalytique permet d'obtenir une batterie lithium-ion à charge ultra-rapide
Une équipe dirigée par les professeurs JI Hengxing et WU Xiaojun de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC), en collaboration avec l'équipe du professeur DUAN Xiangfeng de l'Université de Californie à Los Angeles, a mis au point une nouvelle stratégie pour l'électrocatalyse à l'état solide dans les batteries lithium-ion (LIB), transcendant le paradigme confinant l'électrocatalyse aux interfaces liquide-solide et gaz-solide. Leur étude a été publiée dans Journal of the American Chemical Society.
Dans les LIB, les matériaux d'anode qui utilisent des réactions d'alliage pour stocker les ions Li, tels que le silicium et le phosphore, sont largement utilisés en raison de leur capacité spécifique élevée par rapport aux anodes conventionnelles en graphite. Toutefois, la lenteur de la cinétique de lithiation dans ces matériaux d'anode limite les performances de charge rapide des piles à combustible. En outre, lors de la réaction d'alliage au lithium des matériaux d'anode, les réactifs et les produits se trouvent dans des phases solides, sans l'interface biphasique généralement requise pour l'électrocatalyse conventionnelle. Il est donc urgent d'explorer l'électrocatalyse dans les réactions à l'état solide.
Pour relever ce défi, l'équipe a utilisé le dopage par hétéroatomes, en particulier le bore pour le silicium et le soufre pour le phosphore, afin d'accélérer les réactions d'alliage de lithium dans un matériau d'électrode à l'état solide. Les calculs théoriques et la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) ont révélé qu'une concentration critique de dopage hétéroatomique (1~5 % d'atomes) peut fournir des sites hautement actifs pour les réactions d'alliage des matériaux d'anode, en favorisant la rupture des liaisons chimiques intrinsèques. Cette rupture de liaison sur les sites dopés entraîne la division continue des matériaux d'anode en cellules unitaires plus petites, ce qui crée davantage de sites réactifs et améliore la dynamique de la réaction.
L'équipe a appliqué avec succès cette stratégie pour créer une batterie à charge ultra-rapide composée d'une anode en phosphore noir dopé au soufre (S/bP) couplée à une cathode en oxyde de lithium et de cobalt (LCO). La batterie a démontré une performance impressionnante en rechargeant 80 % de son énergie en 9 minutes avec une densité énergétique de 302 Wh kg-1, surpassant les LIB précédemment rapportées. En outre, cette performance de charge ultra-rapide est restée stable sur plus de 300 cycles.
Cette recherche permet l'électrocatalyse dans les réactions à l'état solide, ce qui représente une étape cruciale vers une technologie de batterie à haute énergie et à charge rapide, présentant un grand potentiel d'application industrielle.
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Publication originale
En Zhou, Hongchang Jin, Haifeng Lv, Yuansen Xie, Yuhao Lu, Ying-Rui Lu, Ting-Shan Chan, Chao Wang, Wensheng Yan, Jing Zhang, Hengxing Ji, Xiaojun Wu, Xiangfeng Duan; "Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-7-17
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