[News] Les chutes de tension dans les nouveaux composé pour batteries

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Isabelle
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[News] Les chutes de tension dans les nouveaux composé pour batteries

Message par Isabelle » 06/01/2015 - 0:00:07


Pourquoi observe-t-on des chutes de tension dans les nouveaux composés lamellaires pour batteries ?

Alors que les capacités théoriques des nouveaux composés de type NMC (NMC pour Ni, Mn, Co) (1) riches en Lithium sont prometteuses (250 mAh/g soit 20% de plus que les technologies actuelles), leurs chutes de potentiel lors du cyclage bloque leur commercialisation comme matériaux d’électrode et les rendent difficilement industrialisables. Des équipes du Laboratoire chimie du solide et énergie (CNRS / Collège de France) et du Laboratoire réactivité et chimie des solides (CNRS / Université de Picardie) (2) viennent de lever le voile sur l’origine de cette chute de potentiel en utilisant un composé modèle, structuralement proche et de capacité similaire. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature Materials.

Les derniers travaux sur ce sujet reliaient ces chutes de potentiel à des désordres structuraux dont l’origine et la nature restaient inconnus jusqu’à maintenant. Les chercheurs ont donc essayé de caractériser la structure locale et de suivre son évolution dans le temps afin d’élucider clairement le lien entre désordres structuraux et chute de potentiel.

Pour y arriver, ils ont joué avec des substitutions chimiques (atomes de Ti/Sn et Ru à la place des atomes de Ni, Mn et Co du composé d'origine). Les composés modèles utilisés ont été Li2Ru1-ySnyO3 et Li2Ru1-yTiyO3, choisis notamment parce qu'ils avaient la même structure que les composés NMC riches en lithium.

L'utilisation de substituants avec des rayons ioniques différents (pour donner une image, l'étain est une balle de tennis si le titane est une balle de golf) permet de mettre en évidence l'impact de la taille des ions sur les aspects structuraux.

Grâce à ces substitutions, les chercheurs ont découvert un désordre cationique massif enclenché par la formation de groupements "peroxo" dans les feuillets cationiques. Lors de leur formation, ces groupes donnent naissance à des volumes libres libérant des chemins de migration dans lesquels les atomes voisins ne demandent qu’à s’engouffrer. Ceux-ci peuvent alors passer de sites octaédriques propres aux feuillets cationiques, à des sites octaédriques propres aux feuillets de Li. Mais pour y arriver ces ions doivent d'abord passer par des sites tétraédriques intermédiaires. Or, les chercheurs ont visualisé par microscopie électronique à transmission qu’au cours des cycles de charge/décharge certains des cations restaient bloqués dans ces sites tétraédriques intermédiaires. Cette migration croissante d'une quantité significative d'ions Ti4+ des sites octaédriques aux sites tétraédriques au cours du cyclage a également été confirmée par analyse XPS. Pour les chercheurs c'est cette redistribution électronique des ions bloqués dans les sites tétraédriques qui conduit à une diminution de leur activité électrochimique et donc à la chute de potentiel observée.

Grâce à cette étude fondamentale, les chercheurs ont progressé dans la compréhension d'un nouveau matériau très attendu par les industriels. Même si la chute de potentiel est intrinsèque à cette classe de matériaux, elle n’est pas incontournable ! Les chercheurs ont proposé une chimie de substitution pour résoudre le problème en utilisant des cations plus large et donc difficilement « piégeable » dans les sites tétraédriques. D'autres solutions pourraient également émerger dans leurs recherches à venir.

Notes:

(1) Ces composés ont pour formule chimique LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2.

(2) Ce travail est le fruit d’une collaboration associant les expertises analytiques du réseau RS2E, la plateforme européenne de microscopie de l'université d'Antwerp, le centre RPE de Lille.

Pour plus d'information voir: Origin of voltage decay in high-capacity layered oxide electrodes


Source: CNRS

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macland
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Re: [News] Les chutes de tension dans les nouveaux composé pour batteries

Message par macland » 18/01/2015 - 10:19:10

Pour des ensembles réalisés à partir de divers matériaux, ne dit-on pas composants au lieu de composés ???... :_grat:
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