La technologie de synthèse monocristalline améliore la durabilité des batteries secondaires au lithium

Une équipe de recherche a récemment démontré une technologie de synthèse monocristalline qui prolonge considérablement la durée de vie des matériaux cathodiques pour véhicules électriques. Cette recherche a été publiée dans l’édition en ligne de Matériaux et interfaces ACSune revue internationale dans le domaine des sciences des matériaux.

Les batteries secondaires au lithium (Li), couramment utilisées dans les véhicules électriques, stockent l’énergie en convertissant l’énergie électrique en énergie chimique et en générant de l’électricité pour libérer l’énergie chimique en énergie électrique grâce au mouvement des ions Li- entre une cathode et une anode. Ces batteries secondaires utilisent principalement des matériaux cathodiques en nickel (Ni) en raison de leur grande capacité de stockage d’ions lithium. Les matériaux traditionnels à base de nickel ont une morphologie polycristalline composée de nombreux minuscules cristaux qui peuvent subir une dégradation structurelle pendant la charge et la décharge, réduisant considérablement leur durée de vie.

Une approche pour résoudre ce problème consiste à produire le matériau de la cathode sous forme de « monocristal ». La création de matériaux de cathode à base de nickel sous forme de grosses particules uniques, ou « monocristaux », peut améliorer leur stabilité structurelle et chimique ainsi que leur durabilité. On sait que les matériaux monocristallins sont synthétisés à haute température et deviennent rigides. Cependant, le processus exact de durcissement pendant la synthèse et les conditions spécifiques dans lesquelles cela se produit restent flous.

Pour améliorer la durabilité des matériaux cathodiques en nickel pour véhicules électriques, les chercheurs se sont attachés à identifier une température spécifique, appelée « température critique », à laquelle sont synthétisés des matériaux monocristallins de haute qualité. Ils ont étudié différentes températures de synthèse pour déterminer les conditions optimales de formation de monocristaux dans la synthèse d’un matériau cathodique à base de nickel (N884). L’équipe a systématiquement observé l’impact de la température sur la capacité et les performances à long terme du matériau.

Les chercheurs ont découvert que les matériaux polycristallins classiques synthétisés en dessous d’une certaine température critique sont sujets à la dégradation en cas d’utilisation prolongée dans les batteries secondaires. Cependant, lorsqu’ils sont synthétisés au-dessus de cette température critique, des monocristaux de haute qualité peuvent être facilement produits, ce qui permet d’obtenir des matériaux d’une longévité supérieure. Cela est dû à un processus appelé « densification » qui se produit au-dessus d’une certaine température critique.

Au cours de ce processus, la taille interne des grains du matériau augmente et les espaces vides à l’intérieur du matériau sont densément remplis. Les monocristaux densifiés sont extrêmement durs et résistants à la dégradation sur des périodes prolongées, ce qui améliore considérablement leur durabilité. Sur la base de ces résultats, l’équipe a confirmé que la synthèse de monocristaux au-dessus de la température critique est une stratégie de conception de matériaux plus avantageuse. Ils ont également proposé une méthode efficace pour synthétiser des matériaux monocristallins de haute qualité.

L’équipe était dirigée par le professeur Kyu-Young Park de l’Institut de hautes études en technologie des matériaux ferreux et écologiques et du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux et Kyoung Eun Lee, doctorante, et l’ancienne élève Yura Kim de l’Institut de hautes études en technologie des matériaux ferreux et écologiques de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), en collaboration avec le POSCO Holdings N.EX.T Hub.

Le professeur Park de POSTECH a déclaré : « Nous avons introduit une nouvelle stratégie de synthèse pour améliorer la durabilité des matériaux cathodiques à base de nickel. Nous poursuivrons nos recherches pour rendre les batteries secondaires pour véhicules électriques moins chères, plus rapides et plus durables. »