Une stratégie pour réduire la détérioration rapide de la capacité des cathodes riches en Ni

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs et les scientifiques des matériaux ont travaillé dur pour développer des technologies de batteries présentant des performances de plus en plus élevées. Leurs efforts visent à répondre aux besoins de l’industrie électronique, en augmentant la durée de vie des batteries d’innombrables appareils rechargeables, véhicules électriques et systèmes robotiques.

Des matériaux en couches riches en nickel (Ni) ont souvent été utilisés comme cathodes dans les cellules de batterie, en raison de leurs propriétés avantageuses qui peuvent augmenter la densité énergétique des cellules. Néanmoins, la capacité des cathodes riches en Ni peut rapidement se détériorer, en raison de la réactivité des matériaux qui provoque des réactions chimiques secondaires indésirables.

Des chercheurs de l'Université Hanyang de Séoul ont récemment introduit une nouvelle stratégie qui pourrait contribuer à améliorer les performances de ces cathodes, leur permettant ainsi de conserver leur capacité pendant de plus longues périodes. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Énergie naturelleimplique un processus de lavage simple qui permet d'éliminer les composés de lithium résiduels sur les cathodes, tout en les recouvrant pour réduire les réactions injustifiées.

“L'instabilité des matériaux cathodiques en couches riches en Ni dans les batteries lithium-ion est attribuée à leur réactivité de surface labile”, ont écrit Hoon-Hee Ryu, Hyung-Woo Lim et leurs collègues dans leur article. “Cette réactivité induit la formation d'impuretés résiduelles de lithium à la surface de la cathode et de graves réactions secondaires avec l'électrolyte. Nous proposons un processus de lavage utilisant de l'eau co-dissoute pour éliminer simultanément le lithium résiduel et former un revêtement protecteur sur les cathodes en couches riches en Ni.”

L'objectif principal des travaux récents de cette équipe de chercheurs était d'identifier une méthode efficace pour surmonter les limites des cathodes riches en Ni, ce qui pourrait à son tour contribuer à augmenter la durée de vie des batteries dans le temps. La stratégie proposée consiste à laver les cathodes avec une solution aqueuse dissoute au cobalt (Co).

Ce processus de lavage provoque une réaction avec le lithium résiduel sur la surface externe des cathodes, conduisant à la formation d'une couche protectrice fine, uniforme et riche en Co. La couche formée élimine le contact direct entre la cathode et l'électrolyte à l'intérieur de la cellule de batterie, empêchant ainsi d'autres réactions secondaires et la dégradation rapide de la cathode qui en résulte au fil du temps.

“Le lavage induit la reconstruction de la structure proche de la surface grâce à des réactions avec les composés résiduels du lithium, empêchant ainsi le contact direct entre l'électrolyte et la surface riche en Ni”, ont expliqué Ryu, Lim et leurs collègues. “Un revêtement de fluor supplémentaire sur la cathode lavée empêche la décomposition des sels, empêchant les sous-produits de déclencher des réactions secondaires autocatalytiques à l'interface électrolyte-cathode et supprimant ainsi la génération de gaz pendant le cyclage.”

La stratégie de lavage et de revêtement introduite par Ryu, Lim et leurs collaborateurs a été testée dans une série d'expériences initiales. Les résultats ont montré qu'il a réussi à prolonger le cycle de vie des cathodes riches en Ni, sans compromettre leur densité énergétique et leur sécurité.

À l’avenir, ces travaux récents pourraient être utilisés pour développer des batteries plus sûres et plus durables pour les véhicules électriques et autres appareils électroniques à grande échelle. En outre, d’autres équipes de recherche pourraient s’inspirer de ses résultats pour concevoir d’autres méthodes prometteuses visant à prévenir la détérioration rapide de la capacité couramment rapportée dans les cathodes riches en Ni.

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