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Les défauts dans les batteries Li-Ion pourraient-ils améliorer leurs performances ?

Posté le par Arnaud Moign dans Matériaux, Biotech & chimie

Les batteries Li-Ion modernes sont indiscutablement efficaces, mais elles peuvent encore être améliorées. Une équipe de chercheurs de l’université américaine de Rice a démontré qu’il était possible d’améliorer leurs performances de deux ordres de grandeur. Comment ? En leur ajoutant des défauts !

Ajouter des défauts dans les batteries Li-Ion pourrait améliorer leurs performances. Cela dit, grâce à des simulations numériques, des chercheurs ont également montré qu’un trop grand nombre de ces défauts pouvait fragiliser les batteries et réduire leur durée de vie. Un équilibre reste donc à trouver.

Des défauts dans les batteries

Parue fin 2019 dans npj Computational Materials, une première étude réalisée à l’université de Rice (Etats-Unis) a démontré qu’en ajoutant volontairement des défauts dans la microstructure des particules constituant la cathode, on facilitait la circulation du lithium.

Ces défauts cristallographiques, connus sous le nom “d’antisites” se forment lorsque des atomes sont placés en mauvaise position sur un réseau cristallin. Dans le cas de ces travaux, des atomes de fer viennent ainsi perturber la structure en LiFePO4 en prenant la place du lithium, ce qui était jusqu’ici considéré comme défavorable pour la performance des batteries.

Les défauts : bonne ou mauvaise chose ?

D’après l’étude de 2019, les antisites seraient donc une bonne chose, car ils accélèrent la cinétique d’intercalation du lithium. Cependant, les travaux publiés en janvier 2020 dans le Journal of Materials Chemistry A et réalisés par la même équipe viennent nuancer leurs propos. L’étude met en évidence un fait : un trop grand nombre d’antisites au sein des particules constituant la cathode peut générer trop de contraintes et provoquer la détérioration de la batterie.

Pour démontrer cela, l’équipe de Ming Tang a utilisé une méthode de simulation numérique de l’évolution de la microstructure (phase-field simulation) du LiFePO4. Elle a ensuite corrélé les résultats obtenus avec ceux issus d’une étude expérimentale concernant la microscopie par rayons X du LiFePO4 (Ohmer et al. Nature Communications 6, 6045 (2015)). Le couplage de ces résultats a ainsi permis d’obtenir la première illustration du phénomène “d’instabilité par contraintes induites” (Stress-induced instability) de l’intercalation du lithium.

La maîtrise des défauts est la clé

Comme souvent, c’est donc une affaire de maîtrise et de compromis. Les travaux conduits à l’université de Rice indiquent qu’introduire volontairement des antisites au sein d’une cathode est bénéfique jusqu’à un certain point.

La difficulté sera maintenant de trouver le bon « dosage », ce qui va nécessiter de nombreux essais expérimentaux qui pourront s’appuyer sur ces travaux de simulation.

Source

D’après les travaux de Ming Tang et Kaiqi Yang de l’Université de Rice.

Pour aller plus loin

Posté le par Arnaud Moign


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