L’autonomie d’un véhicule électrique est directement liée à l’énergie que chacune des cellules qui composent sa batterie est capable de fournir. Dans le cas des batteries lithium-ion, utilisées par pratiquement tous les modèles électriques du marché, la capacité énergétique au niveau de la cellule et son coût sont affectés par les caractéristiques de l’un de ses composants essentiels : l’électrode positive ou cathode.
Aujourd’hui, une recherche du Pacific Northwest National Laboratory du Département de l’énergie des États-Unis (PNNL), publiée dans Energy Storage Materials, résout les restrictions imposées par cette électrode grâce à un système de production nouveau et efficace de cathodes monocristallines à haute énergie. nickel.
Le gros « problème » des batteries au lithium riches en nickel (NCM)
La cathode la plus courante des cellules de batteries de véhicules électriques est ternaire ou NCM, c’est-à-dire qu’elle est formée d’un mélange d’oxydes métalliques, composé d’oxydes de lithium, de nickel, de cobalt et de manganèse (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2). En incluant une plus grande quantité de nickel dans la cathode, la capacité de la batterie à stocker de l’énergie est considérablement augmentée, c’est-à-dire que l’autonomie du véhicule électrique dans lequel elle est montée est augmentée.
Les triples NCM riches en nickel, tels que le NCM811 (où le « 8 » indique 80 % de nickel), offrent les meilleures performances de gamme. Cependant, ces cathodes, créées à l’aide d’un méthode conventionnelle, Ils ont tendance à se regrouper en structures polycristallines présentant une surface rugueuse et grumeleuse. Cette texture, similaire à celle de la surface d’une boulette de viande, offre des avantages pour les triples NCM classiques, mais pas dans le cas du NCM811 et des versions ultérieures.
Les fissures bulbeuses dans les structures polycristallines sont sujettes à la séparation, provoquant une rupture du matériau. Ce phénomène rend les batteries fabriquées avec ces cathodes riches en nickel susceptibles de se fissurer, en plus de déclencher une production de gaz et de subir une désintégration plus rapide que les cathodes contenant moins de nickel.
La solution monocristalline NCM811
Une façon de résoudre ce problème consiste à transformer le NCM polycristallin grumeleux en une forme monocristalline lisse, éliminant ainsi les limites cristallines problématiques. Cependant, il est beaucoup plus facile de le dire que de le faire. Dans un environnement de laboratoire, les monocristaux sont cultivés dans différentes conditions, telles que des sels fondus ou des réactions hydrothermales, générant des surfaces cristallines lisses. Cependant, ces environnements ne sont pas pratiques pour la production réelle de cathodes, où des méthodes à semi-conducteurs moins coûteuses sont préférées.
Une cathode NCM est fabriquée en combinant un précurseur d’hydroxyde métallique avec du sel de lithium, en mélangeant et en chauffant directement ces hydroxydes pour générer le NCM polycristallin aggloméré en amas. Bien que l’utilisation d’un processus de chauffage en plusieurs étapes produise des cristaux de la taille du micron, ils restent néanmoins agglomérés, perpétuant ainsi des effets secondaires indésirables.
La solution proposée par la nouvelle recherche
Sous la direction de spécialistes des batteries du PNNL et en collaboration avec Albemarle Corporation, l’équipe de recherche a pu surmonter ce problème en mettant en œuvre une étape de préchauffage qui modifie la structure et les propriétés chimiques de l’hydroxyde de métal de transition. En faisant réagir l’hydroxyde de métal de transition préchauffé avec le sel de lithium pour former la cathode, une structure NCM monocristalline uniforme est générée qui présente un aspect lisse.
“Le processus de chauffage des précurseurs en une seule étape peut sembler simple, mais il implique de nombreuses transitions de phase au niveau atomique pour parvenir à la ségrégation monocristalline”, explique Yujing Bi, auteur principal de la publication.
Les scientifiques étendent actuellement la production de monocristaux NCM811 à l’échelle du kilogramme, en utilisant du sel de lithium fourni par Albemarle. Ces monocristaux à grande échelle ont été testés dans de véritables piles au lithium en poche de 2 Ah, en utilisant une anode en graphite standard, afin de garantir que les performances de la batterie étaient principalement influencées par la nouvelle cathode.
“Il s’agit d’une avancée importante qui permettra d’utiliser des batteries au lithium à plus haute densité énergétique sans dégradation”, déclare Stanley Whittingham, lauréat du prix Nobel et professeur distingué de chimie à l’Université de Binghamton. “De plus, cette avancée sera indispensable pour son utilisation dans les véhicules électriques”, ajoute-t-il.
La méthode de synthèse de la cathode monocristalline riche en nickel est non seulement aussi innovante que rentable, mais elle est également facilement évolutive. Il permet aux fabricants de cathodes d’utiliser les installations de production existantes pour fabriquer efficacement du NCM811 monocristallin et même des cathodes avec une concentration en nickel supérieure à 80 %.
Stanley Whittingham, prix Nobel de chimie, a confirmé l’importance de ces recherches.
La mise en œuvre réelle des cathodes monocristallines
Dans la phase de recherche, qui débutera début 2024, le PNNL, en collaboration avec des partenaires industriels et des universités, portera la synthèse et les tests à une échelle commerciale dans le but d’évoluer vers une production de masse.
Afin d’atteindre cet objectif le plus rapidement possible, des équipements et techniques de fabrication conventionnels seront utilisés, adaptés pour inclure la méthodologie de mise à l’échelle développée, ainsi que d’autres innovations qui contribuent à réduire davantage les coûts et la production de déchets.
“Nous ne sommes pas en concurrence avec l’industrie”, déclare Jie Xiao, chercheur principal du projet et Battelle Fellow au PNNL. « En fait, nous collaborons avec des leaders de l’industrie comme Albemarle pour relever de manière proactive les défis scientifiques afin que l’industrie puisse faire évoluer l’ensemble du processus en fonction des expériences et des connaissances que nous avons acquises en cours de route. »
