Le matériau d’électrode à base de nickel ouvre la porte aux batteries sans cobalt

Une équipe internationale de chercheurs a développé un matériau d’électrode à base de nickel qui ouvre de nouvelles voies aux batteries sans cobalt pour véhicules électriques.

Dans un article publié dans la revue Matériaux de stockage d’énergie, les scientifiques expliquent que la chaîne d’approvisionnement limitée et tendue du cobalt crée un goulot d’étranglement pour la production de batteries à grande échelle, y compris pour la fabrication de celles utilisées dans les véhicules électriques. De plus, l’extraction du cobalt génère des déchets toxiques.

Pour résoudre ces problèmes, l’oxyde de lithium-nickel (LiNiO2) – dont la structure est similaire à l’oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) largement utilisé – sert souvent d’alternative sans cobalt pour le matériau d’électrode. Cependant, des problèmes d’instabilité majeurs affectent le composé, en particulier une perte progressive de capacité dans la région haute tension, associée à la migration des ions nickel.

Pour améliorer la réversibilité des électrodes, les ions nickel ont été partiellement remplacés par d’autres ions métalliques, notamment les ions cobalt réintroduits ainsi que le manganèse, l’aluminium et le magnésium. Cela crée des « matériaux en couches enrichis en nickel » pour servir de matériaux d’électrode positive.

« Jusqu’à présent, 10 à 20 % d’ions cobalt étaient nécessaires pour les matériaux d’électrodes à base de nickel », a déclaré Naoaki Yabuuchi, auteur principal de l’étude et chercheur à l’Université nationale de Yokohama, dans un communiqué aux médias.

Selon Yabuuchi, un tel pourcentage est encore trop élevé et résulte de l’absence d’une compréhension unifiée de la manière dont la substitution des métaux peut améliorer le processus.

Un problème de migration

Pour combler ce manque de connaissances, lui et ses collaborateurs ont approfondi la problématique de la transition de phase. Lorsque les ions lithium quittent la cathode sous l’influence d’un champ externe, les ions nickel migrent vers des sites spécifiques au sein des couches de lithium. Bien que ce processus soit réversible, la réversibilité se dégrade progressivement au fil de cycles continus jusqu’à ce que la capacité soit complètement perdue – un phénomène non observé dans la migration des ions cobalt.

Des études antérieures ont montré que le dopage au tungstène dans LiNiO2 constituait une approche efficace pour supprimer les transitions de phase néfastes dans les régions à haute tension. Ainsi, le groupe de Yabuuchi a testé l’hypothèse selon laquelle les ions tungstène lourds et coûteux pourraient être remplacés par d’autres éléments, en particulier le phosphore, un élément plus léger et plus abondant.

Après une analyse détaillée du LiNiO2 intégré au phosphate de lithium nanométrique (Li3PO4), les chercheurs ont observé que, dans certaines conditions, la migration problématique des ions nickel était efficacement supprimée en raison de l’interaction électrostatique répulsive des ions nickel supplémentaires dans les couches de Li. De plus, à partir de ces découvertes, le LiNiO2 déficient en Li, Li0,975Ni1,025O2, avec les ions nickel supplémentaires dans les couches de Li, a également été synthétisé en utilisant une méthodologie simple sans intégration de phosphore.

Les résultats ont également montré comment Li0.975Ni1.025O2 peut atténuer efficacement la migration défavorable des ions nickel et offrir une réversibilité constante sans ions cobalt.

« Ces résultats ouvrent une nouvelle direction pour développer des matériaux d’électrode à base de nickel, sans cobalt, hautes performances et pratiques, avec une méthodologie extrêmement simple et rentable », a déclaré Yabuuchi. « Ce matériau a atteint l’objectif ultime en matière de matériaux d’électrode à base de nickel hautes performances. »

Dans le cadre de projets futurs, les chercheurs prévoient d’étudier la faisabilité d’un matériau sans nickel pour supporter les batteries lithium-ion.

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Nicolas