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Des scientifiques montrent que des défauts ponctuels dans les cristaux cathodiques pourraient accélérer l'absorption du lithium – Technologik

Voici un cas où les détours accélèrent le trafic. Le résultat peut être de meilleures batteries pour le transport, l'électronique et le stockage d'énergie solaire.

Des scientifiques de la Brown School of Engineering de l'Université Rice ont découvert que le fait de placer des défauts spécifiques dans le réseau cristallin des cathodes à base de phosphate de fer et de lithium élargit les voies par lesquelles les ions lithium se déplacent. Leurs calculs théoriques pourraient améliorer les performances jusqu'à deux ordres de grandeur et ouvrir la voie à des améliorations similaires dans d'autres types de batteries.

Ces défauts, appelés antisites, se forment lorsque les atomes sont placés aux mauvaises positions sur le réseau – c'est-à-dire lorsque les atomes de fer se trouvent sur les sites qui devraient être occupés par le lithium. Les défauts antisite empêchent le mouvement du lithium à l'intérieur du réseau cristallin et sont généralement considérés comme préjudiciables aux performances de la batterie.

Dans le cas du phosphate de fer et de lithium, cependant, les chercheurs de Rice ont découvert qu'ils créent de nombreux détours dans la cathode et permettent aux ions lithium d'atteindre le front de réaction sur une surface plus large, ce qui contribue à améliorer le taux de charge ou de décharge des batteries.

La recherche apparaît dans la revue Nature Matériaux informatiques.

Le phosphate de fer et de lithium est un matériau de cathode largement utilisé pour les batteries lithium-ion et sert également de bon système modèle pour étudier la physique sous-jacente au processus de cyclage des batteries, a déclaré le scientifique des matériaux Rice Ming Tang, qui a mené les recherches avec l'ancien élève Liang Hong, maintenant chercheur à MathWorks et étudiant diplômé Kaiqi Yang.

Lors de l'insertion du lithium, la cathode passe d'une phase pauvre en lithium à une phase riche en lithium, a déclaré Tang, professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie. Lorsque la cinétique de réaction de surface est lente, le lithium ne peut être inséré que dans du phosphate de fer et de lithium dans une région de surface étroite autour de la limite de phase – la "route" – un phénomène qui limite la vitesse à laquelle la batterie peut se recharger.

"S'il n'y a pas de défauts, le lithium ne peut pénétrer que dans cette petite région autour de la limite de phase", a-t-il déclaré. "Cependant, les défauts antisite peuvent rendre l'insertion du lithium plus uniforme sur toute la surface, et ainsi la frontière se déplacerait plus rapidement et la batterie se chargerait plus rapidement.

"Si vous forcez la cathode sans défaut à se charger rapidement en appliquant une tension élevée, il y aura un flux local de lithium très élevé à la surface et cela peut endommager la cathode", a-t-il déclaré. "Ce problème peut être résolu en utilisant des défauts pour répartir le flux sur toute la surface de la cathode."

Le recuit du matériau – chauffer sans le brûler – pourrait être utilisé pour contrôler la concentration des défauts. Tang a déclaré que les défauts permettraient également d'utiliser des particules de cathode plus grandes que les cristaux nanométriques pour aider à améliorer la densité d'énergie et à réduire la dégradation de la surface.

"Une prédiction intéressante du modèle est que cette configuration de défaut optimale dépend de la forme des particules", a-t-il dit, "Nous avons vu que les facettes d'une certaine orientation pourraient rendre les détours plus efficaces pour le transport des ions lithium. Par conséquent, vous voudrez d'avoir plus de ces facettes exposées sur la surface de la cathode. "

Tang a déclaré que le modèle pourrait être appliqué comme stratégie générale pour améliorer les composés de batteries à changement de phase.

"Pour les matériaux de structure comme l'acier et la céramique, les gens jouent tout le temps avec les défauts pour rendre les matériaux plus résistants", a-t-il déclaré. "Mais nous n'avons pas beaucoup parlé de l'utilisation de défauts pour fabriquer de meilleurs matériaux de batterie. Habituellement, les gens voient les défauts comme des inconvénients à éliminer.

"Mais nous pensons que nous pouvons transformer les défauts en amis, pas en ennemis, pour un meilleur stockage de l'énergie."

Source de l'histoire:

Matériaux fourni par Université Rice. Original écrit par Mike Williams. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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