La libération d’oxygène par les matériaux de la batterie peut provoquer un emballement thermique. Crédit : Takashi Nakamura
Un groupe de recherche a produit de nouvelles informations sur la libération d’oxygène dans les batteries lithium-ion, ouvrant la voie à des batteries à haute densité énergétique plus robustes et plus sûres.
Les batteries de nouvelle génération qui stockent plus d’énergie sont essentielles si la société veut atteindre les objectifs de développement durable de l’ONU et atteindre la neutralité carbone. Cependant, plus la densité d’énergie est élevée, plus le risque d’emballement thermique est élevé, c’est-à-dire la surchauffe des batteries qui peut parfois entraîner l’explosion d’une batterie.
L’oxygène libéré par le matériau actif de la cathode est un déclencheur d’emballement thermique, mais notre connaissance de ce processus est insuffisante.
Des chercheurs de l’Université de Tohoku et du Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) ont étudié le comportement de libération d’oxygène et les changements structurels liés au matériau de cathode pour les batteries lithium-ion LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111). Le NCM111 a agi comme un matériau de batterie modèle à base d’oxyde par titrage coulométrique et diffraction des rayons X.
Les chercheurs ont découvert que le NCM111 accepte 5 % en moles de libération d’oxygène sans se décomposer et que la libération d’oxygène induit un désordre structurel, l’échange de Li et Ni.
Lorsque l’oxygène est libéré, il réduit les métaux de transition (Ni, Co et Mn dans le NCM111), diminuant leur capacité à maintenir une charge équilibrée dans les matériaux.
Pour évaluer cela, le groupe de recherche a utilisé la spectroscopie d’absorption des rayons X doux au BL27SU PRINTEMPS-8 – une installation de rayonnement synchrotron à grande échelle exploitée par JASRI au Japon.
Ils ont observé Ni sélectif3+ réduction du NCM111 au début de la libération d’oxygène. Une fois la réduction de Ni terminée, Co3+ diminué, tandis que Mn4+ est resté invariant pendant 5 % molaires de libération d’oxygène.
« Les comportements de réduction suggèrent fortement que le NI à haute valence (Ni3+) améliore considérablement la libération d’oxygène », a déclaré Takashi Nakamura, co-auteur de l’article.
Pour tester cette hypothèse, Nakamura et ses collègues ont préparé du NCM111 modifié contenant plus de Ni3+ que le NCM111 d’origine. À leur grande surprise, ils ont découvert que le NCM111 présentait une libération d’oxygène beaucoup plus importante que prévu.
Sur cette base, le groupe de recherche a proposé que les métaux de transition à haute valence déstabilisent l’oxygène du réseau dans les matériaux de batterie à base d’oxyde.
« Nos découvertes contribueront au développement ultérieur de batteries à haute densité énergétique et robustes de nouvelle génération composées d’oxydes de métaux de transition », a déclaré Nakamura.
Référence : « Instabilité de l’oxygène sur réseau dans les cathodes d’intercalation à base d’oxyde : une étude de cas de LiNi en couches1/3Co1/3Mn1/3O2« Par Xueyan Hou, Kento Ohta, Yuta Kimura, Yusuke Tamenori, Kazuki Tsuruta, Koji Amezawa et Takashi Nakamura, le 23 juin 2021, Matériaux énergétiques avancés.
DOI : 10.1002 / aenm.202101005
Financement : Subvention d’aide à la recherche scientifique (JP18K05288?JP19H05814) Programme de recherche pour le laboratoire CORE de « Dynamic Alliance for Open Innovation Bridging Human, Environmentand Materials » dans « Network Joint Research Center for Materials and Devices ».
