Un nouveau matériau cathodique développé par des chercheurs chinois pourrait améliorer les performances de charge rapide, la durabilité et le fonctionnement à basse température des batteries lithium-ion.
La cathode d’une batterie joue un rôle clé en déterminant la quantité d’énergie qu’elle peut stocker, la rapidité avec laquelle elle peut se charger et se décharger et sa durée de vie. Les chercheurs ajoutent souvent de petites quantités d’éléments spécifiques pour améliorer ces propriétés.
Une équipe du Laboratoire national de Shenyang pour la science des matériaux de l’Institut de recherche sur les métaux de l’Académie chinoise des sciences a développé une nouvelle stratégie de sélection de ces oligo-éléments en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques. Les résultats ont été publiés jeudi dans la revue internationale .
Les chercheurs se sont concentrés sur deux défis : permettre aux ions lithium de se déplacer plus rapidement à travers la cathode tout en maintenant sa structure stable lors de charges et décharges répétées.
Ils ont découvert que différents éléments peuvent remplir différentes fonctions. Certains facilitent le mouvement des ions lithium à travers le matériau, tandis que d’autres renforcent sa structure cristalline.
Le premier effet est lié à la densité de charge ionique d’un élément, qui affecte la facilité avec laquelle les ions lithium peuvent se déplacer à travers le matériau. Les éléments ayant une densité de charge plus faible créent moins d’obstacles au mouvement du lithium-ion.
La seconde est liée à la force des liaisons métal-oxygène. Les éléments qui forment des liens plus forts avec l’oxygène peuvent renforcer la structure cristalline de la cathode, l’aidant ainsi à résister à des charges et décharges répétées.
Sur la base de ces principes, l’équipe a sélectionné le magnésium, le calcium, le titane et le zirconium pour développer une cathode sans cobalt et à haute teneur en nickel contenant près de 1 % de chaque élément.
Les tests ont montré que la combinaison améliorait à la fois le transport du lithium-ion et la stabilité structurelle. Le matériau a démontré une charge et une décharge rapides, une longue durée de vie et de bonnes performances à basse température.
La batterie pourrait être chargée à près de 80 % en trois minutes. Après 350 cycles dans des conditions de charge et décharge rapide de six minutes, il a conservé 82,4 % de sa capacité.
Une batterie de 5,74 Ah fabriquée avec ce matériau a atteint une densité énergétique de 278,6 wattheures par kilogramme à moins 20 degrés Celsius, ce qui indique de fortes performances de stockage d’énergie dans des conditions froides.
L’étude propose une approche plus ciblée de la sélection des oligo-éléments, déplaçant le développement des cathodes au-delà des essais et erreurs basés sur l’expérience et proposant de nouvelles idées pour concevoir des batteries lithium-ion hautes performances et d’autres matériaux fonctionnels.
