Une équipe de recherche dirigée par le professeur Jihyun Hong, de l’Institut des matériaux ferreux et écologiques de POSTECH, a mis au point une stratégie innovante pour améliorer la durabilité des matériaux riches en lithium. Ces travaux, menés en collaboration avec le Dr Gukhyun Lim, offrent des perspectives prometteuses pour les batteries lithium-ion (LIBs) de nouvelle génération. Les résultats, publiés dans la revue Energy & Environmental Science, marquent un tournant dans l’optimisation des performances des cathodes.
Les batteries au cœur des technologies modernes
Les batteries lithium-ion sont devenues indispensables dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie (ESS). Le matériau riche en lithium, connu sous le nom de lithium-rich layered oxide (LLO), se distingue par une densité énergétique jusqu’à 20 % supérieure à celle des cathodes traditionnelles à base de nickel. Ce matériau réduit l’usage de métaux coûteux comme le nickel et le cobalt, au profit de composants plus accessibles tels que le lithium et le manganèse. Cette alternative plus économique et durable suscite un intérêt croissant, mais des limitations techniques freinent encore son adoption commerciale.
Les défis techniques du LLO
Malgré ses avantages, le LLO souffre d’une perte de capacité et d’une dégradation de la tension au fil des cycles de charge-décharge, compromettant ainsi sa fiabilité à long terme. Les recherches antérieures ont identifié des transformations structurelles dans la cathode comme principal facteur d’instabilité. Toutefois, les mécanismes sous-jacents restaient peu explorés, rendant les solutions existantes inefficaces pour résoudre ces problèmes de manière durable.
Une approche centrée sur l’oxygène
L’équipe de POSTECH a orienté ses travaux sur le rôle clé de l’émission d’oxygène, qui fragilise la structure du LLO pendant les cycles de charge-décharge. Les chercheurs ont postulé qu’une meilleure stabilité chimique de l’interface cathode-électrolyte pourrait limiter cette émission. À partir de cette hypothèse, ils ont modifié la composition de l’électrolyte afin de renforcer cette interface critique. Résultat : une réduction significative des émissions d’oxygène.
Des performances nettement améliorées
Les résultats expérimentaux confirment les avancées majeures apportées par ce nouvel électrolyte. Après 700 cycles de charge-décharge, la rétention énergétique atteignait 84,3 %, contre seulement 37,1 % pour les électrolytes conventionnels après 300 cycles. Cette amélioration représente une avancée notable en termes de durabilité et de performance des batteries.
Crédits : POSTECH
Une compréhension approfondie de la surface des cathodes
Les chercheurs ont également observé que les transformations à la surface du matériau LLO impactaient directement sa stabilité globale. Grâce à l’utilisation de radiations synchrotron, ils ont pu analyser les différences chimiques et structurelles entre la surface et l’intérieur des particules de cathode. Cette étude a mis en lumière l’importance de la stabilité de la surface pour limiter les réactions indésirables, telles que la décomposition de l’électrolyte.
Vers une nouvelle génération de batteries
Selon le professeur Jihyun Hong, « Ces travaux offrent des pistes prometteuses pour le développement des matériaux cathodiques de prochaine génération. » En intégrant une analyse précise des interactions chimiques et une optimisation de la composition de l’électrolyte, cette recherche ouvre la voie à des batteries plus performantes et durables, adaptées aux besoins des technologies modernes.
Soutiens et perspectives
Cette avancée a été réalisée grâce au soutien du ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie, ainsi que du ministère des Sciences et des TIC de Corée du Sud. Les financements pour 2024, attribués par la Fondation nationale pour la recherche, ont joué un rôle déterminant dans ces progrès.
L’innovation menée par l’équipe de POSTECH représente une étape décisive dans l’amélioration des batteries lithium-ion. En résolvant des problèmes structurels critiques, cette recherche propose une alternative durable et performante aux cathodes traditionnelles. Ces avancées technologiques permettront de répondre aux exigences croissantes des secteurs des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie, tout en respectant les contraintes économiques et environnementales.
Source de l’article : http://dx.doi.org/10.1039/D4EE02329C
