Relooking au manganèse pour les batteries lithium-ion
22 mars 2021 - stockage d'énergie par batterie lithium-ion stockage d'énergie par batterie lithium-ion
Les cathodes sans cobalt pourraient résoudre les problèmes d’approvisionnement en utilisant l’un des métaux les moins chers disponibles.
Des chercheurs américains ont fabriqué une batterie lithium-ion qui utilise du manganèse comme matériau de cathode au lieu du cobalt ou du nickel traditionnel. Ces travaux pourraient offrir une alternative bon marché et abondante à ces ressources de plus en plus coûteuses et limitées, offrant ainsi un moyen de répondre à la demande croissante de stockage d’énergie au lithium-ion.
La plupart des cathodes de batteries lithium-ion dépendent du cobalt ou du nickel car elles maintiennent facilement les structures en couches et ordonnées. Mais en 2014, un groupe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) dirigé par Gerbrand Ceder a montré que les batteries lithium-ion à structure désordonnée pouvaient fonctionner tant qu'elles étaient riches en lithium, ouvrant ainsi la possibilité d'en essayer de nouvelles, et éventuellement mieux, les matériaux.
Ceder et ses collègues de l'Université de Californie et du Lawrence Berkeley National Laboratory, aux États-Unis, ont développé une batterie lithium-ion dotée d'une cathode désordonnée à base de manganèse et ont montré qu'elle pouvait potentiellement stocker plus d'énergie que le cobalt ou le nickel. "Notre idée était que si nous pouvions fabriquer des cathodes là où nous ne nous soucions pas de la superposition, nous pourrions utiliser un spectre beaucoup plus large de métaux", explique l'auteur principal Jinhyuk Lee du MIT. «Nous avons décidé d’opter pour le manganèse car c’est l’un des métaux les moins chers disponibles.»
Le manganèse est déjà utilisé dans les cathodes traditionnelles des batteries lithium-ion en couches, mais comme métal stabilisant peu impliqué dans le stockage des électrons. Les tentatives récentes visant à fabriquer des cathodes uniquement à partir de manganèse désordonné et d'autres oxydes métalliques ont été limitées car elles deviennent instables et perdent leur capacité en raison d'une trop grande activité rédox de l'oxygène lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode à base de lithium pendant la charge.
Pour réduire cette activité et obtenir une cathode d’oxyde de manganèse de haute capacité, l’équipe de Ceder a trouvé un moyen de faire échanger deux électrons par le manganèse, ce que font les cathodes à base de nickel de haute capacité, au lieu d’un. Cela impliquait d’abaisser la valence du manganèse à Mn2+ en remplaçant certains anions d’oxygène par des anions de fluor de valence inférieure tout en échangeant certains cations de manganèse par des ions niobium et titane de valence plus élevée. Cela signifiait qu'un double redox des cations manganèse pouvait se produire de Mn2+ à Mn4+, permettant à une fraction élevée d'ions lithium de se déplacer de la cathode à l'anode de lithium sans devenir instable.
« Les résultats de nos tests de cyclage de batterie en laboratoire montrent une densité énergétique bien plus élevée de nos cathodes (~ 1 000 Wh/kg) par rapport à celle des cathodes existantes (600 à 700 Wh/kg) », explique Ceder. "Mais nos données ne sont pas à l'échelle commerciale, donc d'autres tests et optimisations de nos matériaux devraient suivre."
«Bien que des améliorations supplémentaires dans la stabilité du cycle soient nécessaires pour des applications pratiques, la stratégie rapportée est très prometteuse et permet une vaste exploration de divers cations à valence élevée», commente Gleb Yushin, qui étudie le stockage d'énergie au Georgia Institute of Technology, aux États-Unis. «La nécessité de réduire la tension des cellules à des valeurs très basses peut créer un obstacle aux applications de la technologie rapportée aux appareils électroniques, mais ne devrait pas poser de problème majeur pour les applications automobiles.»
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