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Une nouvelle piste pour dépasser les limitations de la redox anionique

Une nouvelle piste pour dépasser les limitations de la redox anionique
Structure de la phase densifiée après une oxydation sévère

« Des promesses mais encore de nombreux inconvénients à surmonter » pourrait résumer l’état actuel des connaissances du phénomène de redox anionique. Les promesses, pour commencer, sont celles de batteries Li-ion plus performantes, avec une meilleure densité d’énergie et une capacité accrue. Les principaux inconvénients, quant à eux, sont des chutes non-négligeables de tension, une hystérésis de tension importante (càd qu’une partie de l’énergie du système est perdue par dissipation de chaleur) et une cinétique lente.

Ces limitations bloquent pour le moment le développement d’une solution commerciale viable basée sur ce phénomène.

Une équipe internationale dirigée par le Prof. Jean-Marie Tarascon, directeur du RS2E, a eu l’idée de soumettre un matériaux d’électrode-type dit « riche en Li » à des conditions d’oxydation et de réduction sévères afin de mieux comprendre ses évolutions structurales et en composition. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Traitement extrême

Pour leur étude, les scientifiques ont travaillé avec un matériau archétypique riche en Li, Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O,2 et l’ont soumis à des conditions d’oxydation (à 4,8V) et de réduction (à 1,2V) extrêmes pour observer et caractériser son évolution. Les tensions d’utilisation d’une batterie se situe habituellement entre 4,5V et 1V.

Premier constat, en oxydant à 4,8V pendant un certain temps, les chercheurs identifient dans le matériau étudié une nouvelle phase, qui n’avait jamais pu être isolée auparavant et dont la structure a été résolue, et qui au contraire des croyances précédentes ne réside pas seulement en surface mais dans tout le matériau. Le temps d’oxydation doit être suffisamment long pour permettre aux ions Li+ de s’extraire du matériau et de permettre aux métaux de transition, notamment au Mn, de migrer dans l’espace inter-feuillet.

Structure de la phase densifiée après une oxydation sévère

Figure 1: Structure de la phase densifiée après une oxydation sévère

L’apparition de cette nouvelle phase est d’autant plus importante qu’au moment de la décharge/réduction à 1,2V elle se montre capable de réinsérer plus d’ions Li que les phases riches en Li « classiques » et donc de compenser en partie la perte de capacité irréversible observée dans les matériaux testés pour la redox anionique.

Néanmoins, en pratique, l’utilisation de batteries intégrant ces matériaux aux tensions extrêmes indiquées endommage l’électrolyte, ce qui impacte la durée de vie de l’électrode Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2. Il n’en demeure pas moins que cette stratégie d’oxydation/réduction extrême pourra être appliquée dans le futur à d’autres matériaux riche en Li.

 Références :

Structural evolution at the oxidative and reductive limits in the first electrochemical cycle of Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2

Wei Yin et al.

Nature Communication, 06/03/20, DOI : 10.1038/s41467-020-14927-4

Contact : Jean-Marie Tarascon, jean-marie.tarascon@college-de-france.fr