Des ingénieurs découvrent un obstacle majeur à la mise au point de piles plus durables
L'oxyde de lithium et de nickel (LiNiO2) est apparu comme un nouveau matériau potentiel pour alimenter les batteries lithium-ion de la prochaine génération, qui dureront plus longtemps. Toutefois, la commercialisation de ce matériau est au point mort, car il se dégrade après des charges répétées.
Matthew Bergschneider, doctorant en science et ingénierie des matériaux, et ses collègues chercheurs ont découvert pourquoi les piles à l'oxyde de nickel lithium tombent en panne. Ils testent une solution qui pourrait lever un obstacle majeur à l'utilisation généralisée de ce matériau.
The University of Texas at Dallas
Des chercheurs de l'université du Texas à Dallas ont découvert pourquoi les batteries LiNiO2 se dégradent, et ils testent une solution qui pourrait lever un obstacle majeur à l'utilisation généralisée du matériau. Ils ont publié leurs conclusions en ligne le 10 décembre dans la revue Advanced Energy Materials.
L'équipe prévoit d'abord de fabriquer des batteries LiNiO2 en laboratoire, puis de travailler avec un partenaire industriel pour commercialiser la technologie.
"La dégradation des batteries fabriquées à partir de LiNiO2 est un problème depuis des décennies, mais la cause n'était pas bien comprise", a déclaré Kyeongjae Cho, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science et directeur du programme Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS). "Maintenant que nous comprenons clairement pourquoi cela se produit, nous travaillons sur une solution afin que la technologie puisse être utilisée pour prolonger la durée de vie des batteries dans toute une série de produits, y compris les téléphones et les véhicules électriques".
La recherche est un projet de l'initiative BEACONS de l'UTD, qui a été lancée en 2023 avec 30 millions de dollars du ministère de la défense. La mission de BEACONS est de développer et de commercialiser de nouvelles technologies de batteries et de nouveaux processus de fabrication, d'améliorer la disponibilité nationale des matières premières essentielles et de former des travailleurs de haute qualité pour des emplois dans une main-d'œuvre en expansion dans le domaine des batteries et du stockage de l'énergie.
Pour déterminer pourquoi les batteries LiNiO2 tombent en panne pendant la dernière phase de charge, les chercheurs de l'UT Dallas ont analysé le processus à l'aide d'une modélisation informatique. L'étude a consisté à comprendre les réactions chimiques et la redistribution des électrons dans les matériaux au niveau atomique.
Dans les batteries lithium-ion, le courant électrique passe d'un conducteur appelé cathode, qui est une électrode positive, à une anode, qui est une électrode négative. L'anode est généralement constituée de carbone graphite, qui maintient le lithium à un potentiel plus élevé. Pendant la décharge, les ions lithium retournent à la cathode à travers l'électrolyte et renvoient des électrons à la cathode contenant du lithium, dans le cadre d'une réaction électrochimique qui génère de l'électricité. Les cathodes sont généralement constituées d'un mélange de matériaux comprenant du cobalt, un matériau rare que les scientifiques cherchent à remplacer par d'autres matériaux, notamment l'oxyde de lithium et de nickel.
Les chercheurs de l'UTD ont découvert qu'une réaction chimique impliquant des atomes d'oxygène dans le LiNiO2 rendait le matériau instable et le fissurait. Pour résoudre ce problème, ils ont mis au point une solution théorique qui renforce le matériau en ajoutant un ion chargé positivement, ou cation, pour modifier les propriétés du matériau, créant ainsi des "piliers" qui renforcent la cathode.
Matthew Bergschneider, doctorant en science et ingénierie des matériaux et premier auteur de l'étude, a mis en place un laboratoire robotisé pour fabriquer des prototypes de batteries afin d'explorer les processus de synthèse à haut débit des cathodes LiNiO2 à piliers. Les caractéristiques robotiques aideront à synthétiser, évaluer et caractériser les matériaux.
"Nous produirons d'abord une petite quantité et nous affinerons le processus", explique Bergschneider, Eugene McDermott Graduate Fellow. "Ensuite, nous augmenterons la synthèse des matériaux et fabriquerons des centaines de piles par semaine dans les installations de BEACONS. Il s'agit là de tremplins vers la commercialisation".
Les autres chercheurs impliqués dans l'étude sont Fantai Kong PhD'17 ; Patrick Conlin PhD'22 ; Dr. Taesoon Hwang, chercheur en science et ingénierie des matériaux ; et Dr. Seok-Gwang Doo de l'Institut coréen de technologie énergétique.
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.
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