Mise au point et brevetage d'un nouveau matériau de cathode
Un matériau cathodique plus performant et une méthode de production plus rapide : grâce à lui, la batterie lithium-ion peut durer jusqu'à 10 % de plus
Une équipe de recherche du Skoltech Energy Center, dirigée par Artem Abakumov, professeur émérite et directeur du centre, a obtenu un brevet pour des matériaux de cathode de grande capacité dans les batteries lithium-ion, fabriqués à partir d'oxydes de métaux de transition riches en nickel, ainsi qu'une nouvelle approche hydrothermale assistée par micro-ondes pour leur production. La nouvelle méthode est plus rapide et moins coûteuse, et le matériau cathodique lui-même durera environ 10 % de plus que ceux disponibles sur le marché. Cette technologie contribuera à développer plus efficacement les transports électriques en Russie. L'article présentant les résultats est publié dans le Journal of Power Sources.
"Nous utilisons un traitement hydrothermal assisté par micro-ondes pour recouvrir des particules sphériques du précurseur du matériau de cathode d'une fine couche d'hydroxyde de cobalt. Ensuite, sa lithiation à haute température entraîne un gradient de concentration, formé dans la couche proche de la surface, et une morphologie unique - les particules primaires sont situées radialement dans l'agglomérat, et non de manière aléatoire, comme c'est le cas avec d'autres matériaux disponibles sur le marché", a déclaré Alexandra Savina, chercheuse scientifique principale et coauteure du brevet et de l'article.
Dans un premier temps, l'équipe a obtenu un précurseur d'hydroxyde (une substance impliquée dans la réaction menant à la formation d'une autre substance), où les cations de nickel, de manganèse et de cobalt sont mélangés de manière homogène au niveau atomique. Sa suspension avec une solution aqueuse de carbamide et une source de cobalt a ensuite été placée dans un réacteur hydrothermal à micro-ondes, où elle a été traitée pendant environ 15 minutes. L'équipe a ensuite obtenu un précurseur recouvert d'une enveloppe uniforme enrichie en cobalt. Au stade de la lithification à haute température, le précurseur est mélangé à une source de lithium et soumis à un traitement thermique à haute température. Aujourd'hui, au lieu de l'étape de traitement par micro-ondes, c'est la méthode de co-précipitation qui est principalement utilisée sur le marché, avec une durée de plus de 12 heures.
"La formation d'un gradient de concentration, combinée à une morphologie unique, offre plusieurs avantages : la stabilité du matériau et sa capacité élevée à différents taux de cyclage. Grâce à notre matériau, la batterie lithium-ion fonctionnera environ 10 % plus longtemps. En outre, nous utilisons des réactifs bon marché - le carbamide (urée)", a ajouté Alexandra Savina.
Le développement de technologies avancées de stockage de l'énergie est l'une des principales tâches scientifiques et technologiques de la Russie. Auparavant, le gouvernement de la Fédération de Russie a approuvé une feuille de route intitulée "Technologies pour la création de systèmes de stockage d'électricité, y compris portables" et un concept pour le développement de la production et de l'utilisation des transports électriques en Russie jusqu'en 2030, qui visent à accélérer le développement technologique et à atteindre des positions de premier plan dans le monde dans ce domaine. L'équipe de recherche de Skoltech et les startups créées au sein de l'institut travaillent activement depuis plusieurs années à la réalisation des tâches stipulées dans la feuille de route.
"Aujourd'hui, Skoltech est le plus grand détenteur de propriété intellectuelle sur les matériaux cathodiques à base d'oxyde en Russie, ce qui ouvrira la voie à la production de dispositifs de stockage d'énergie dans la Fédération de Russie. Notre centre développe activement de nouveaux matériaux cathodiques et des technologies plus efficaces pour leur production industrielle. La plus grande partie des dépenses associées à un véhicule électrique provient de sa batterie, et dans cette batterie, le matériau cathodique est le plus important contributeur au coût global. Par conséquent, une diminution ne serait-ce que de 10 % des coûts de production du matériau de la cathode, tout en préservant sa capacité et ses caractéristiques de puissance, constitue un point de référence crucial pour améliorer la compétitivité du marché", a déclaré Artem Abakumov.
Les auteurs soulignent que l'un des objectifs de la feuille de route est de produire des cellules ayant une densité énergétique maximale de 260 wattheures par kilogramme (Wh/kg), mais l'équipe produit déjà des prototypes de cellules ayant une intensité énergétique spécifique de plus de 250 Wh/kg, et en passant au matériau de la prochaine génération, cette intensité pourra être portée à 300 Wh/kg. En outre, les chercheurs de Skoltech prévoient de lancer cette année le premier four à rouleaux de Russie pour la lithiation de précurseurs à haute température, d'une capacité de 85 tonnes par an. Le centre a déjà commencé à construire une nouvelle usine de production de précurseurs d'une capacité de 20 tonnes par an, qui sera entièrement automatisée à tous les stades du processus technologique. Les données initiales pour le nouveau projet sont obtenues lors de l'exploitation d'une usine pilote d'une capacité de 10 tonnes de précurseurs par an, assemblés avec des composants russes. Ces projets font appel aux compétences de la startup Rustor, née à Skoltech, qui est une petite entreprise technologique. Avec l'aide de la ligne de production, qui est actuellement en cours de création, Rustor prévoit de mettre sur le marché de nouveaux matériaux cathodiques riches en nickel afin de les utiliser dans le domaine de la mobilité électrique, ainsi que des matériaux qui ont été créés en tenant compte des exigences spécifiques des véhicules aériens sans pilote.
"Au cours de la deuxième année d'études, nous avons commencé à travailler sur des matériaux cathodiques avec une structure cœur-coquille. Ce sujet m'a beaucoup plu et je n'ai donc pas hésité à poursuivre mes études. Ce programme et le groupe de recherche m'ont beaucoup apporté : des connaissances incroyables, un brevet, un article commun dans une revue prestigieuse et une évolution de carrière. J'ai appris à travailler avec du matériel, des réactifs et les meilleurs microscopes. J'aimerais y consacrer encore plus de temps", a déclaré Ekaterina.
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 Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Lyutsia A. Sitnikova, Aleksandra A. Savina, Anatolii V. Morozov, Alexander A. Golubnichiy, Ekaterina A. Dolzhikova, Ivan A. Moiseev, Sergey Yu Luchkin, Artem M. Abakumov; "Improving electrochemical performance of Ni-rich layered cathode material with combining Co-enriched compositional gradient and radial microstructure"; Journal of Power Sources, Volume 602
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