Plus de gamme de batteries de véhicules électriques riches en nickel

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Une nouvelle technologie de batterie monocristalline riche en nickel est en passe d’être déployée rapidement

Un changement apparemment simple dans la fabrication des batteries lithium-ion pourrait rapporter gros, en améliorant la capacité des véhicules électriques (VE) à stocker plus d’énergie par charge et à supporter plus de cycles de charge, selon une nouvelle recherche menée par le Laboratoire national du ministère de l’Énergie. Nord-ouest pacifique. .

Le kilométrage d’un véhicule électrique dépend de l’énergie fournie par chacune des cellules qui composent sa batterie. Dans le cas des cellules lithium-ion, qui dominent le marché des batteries pour véhicules électriques, la capacité énergétique et le coût des cellules sont freinés par l’électrode positive, ou cathode.

Ce goulot d’étranglement pourrait maintenant s’ouvrir, grâce à une approche innovante et rentable de synthèse de cathodes monocristallines riches en nickel et à haute énergie qui a été récemment publié dans Matériaux de stockage d’énergie.

La vision des batteries riches en nickel

Les cathodes des batteries classiques des véhicules électriques utilisent un cocktail d’oxydes métalliques : oxydes de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt (LiNi_1/3Minnesota_1/3Co_1/3Oh₂), abrégé NMC. Lorsque davantage de nickel est incorporé dans une cathode, cela augmente considérablement la capacité de la batterie à stocker de l’énergie et, par conséquent, l’autonomie du véhicule électrique. En conséquence, les NMC riches en nickel (comme le NMC811, où le « 8 » indique 80 % de nickel) présentent un grand intérêt et une grande importance.

Cependant, les cathodes NMC à haute teneur en nickel formées à l’aide de la méthode standard s’agglomèrent en structures polycristallines rugueuses et grumeleuses. Cette texture semblable à une boulette de viande a ses avantages par rapport au NMC ordinaire. Cependant, pour le NMC811 et les versions ultérieures, les fissures bulbeuses du polycristal sont susceptibles de se fendre, provoquant une défaillance du matériau. Cela rend les batteries fabriquées avec ces cathodes riches en nickel susceptibles de se fissurer ; Elles commencent également à produire des gaz et à se désintégrer plus rapidement que les cathodes contenant moins de nickel.

Défis de la synthèse du monocristal NMC811

Une stratégie pour résoudre ce problème : convertir cette NMC polycristalline grumeleuse en une forme monocristalline lisse en éliminant les limites problématiques entre les cristaux, mais cette conversion est plus facile à dire qu’à faire. En laboratoire, les monocristaux sont cultivés dans des environnements tels que des sels fondus ou des réactions hydrothermales qui produisent des surfaces cristallines lisses. Cependant, ces environnements ne sont pas pratiques pour la fabrication réelle de cathodes, où les méthodes à semi-conducteurs moins coûteuses sont préférées.

Dans ces approches à l’état solide plus typiques, une cathode NMC est préparée en mélangeant un précurseur d’hydroxyde métallique avec du sel de lithium, en mélangeant et en chauffant directement ces hydroxydes et en produisant le NMC polycristallin aggloméré (aggloméré). L’utilisation d’un processus de chauffage en plusieurs étapes produit des cristaux de la taille du micron, mais ils sont toujours agglomérés, de sorte que les effets secondaires indésirables persistent.

La solution PNNL

Animé par les experts batteries du PNNL et en collaboration avec Société Albemarle, l’équipe de recherche a résolu ces problèmes en introduisant une étape de préchauffage qui modifie la structure et les propriétés chimiques de l’hydroxyde de métal de transition. Lorsque l’hydroxyde de métal de transition préchauffé réagit avec le sel de lithium pour former la cathode, il crée une structure NMC monocristalline uniforme qui semble lisse, même sous grossissement.

« Le processus de chauffage des précurseurs en une étape semble simple, mais de nombreuses transitions de phase intéressantes au niveau atomique sont impliquées pour rendre possible la ségrégation des monocristaux », a-t-il déclaré. Yujing Bipremier auteur de papier. « Il est également pratique pour l’industrie de l’adopter. »

Dans leur étude, les chercheurs étendent actuellement ce monocristal NMC811 au niveau du kilogramme en utilisant le sel de lithium fourni par Albemarle. Les monocristaux écaillés ont été testés dans des cellules de poche lithium-ion réalistes de 2 Ah, en utilisant une anode en graphite standard pour garantir que les performances de la batterie étaient principalement dictées par la nouvelle cathode.

Le premier prototype de batterie équipé de monocristaux écaillés est resté stable même après 1 000 cycles de charge et de décharge. Lorsque les chercheurs ont examiné la structure microscopique des cristaux après 1 000 cycles, ils n’ont trouvé aucun défaut et ont découvert une structure électronique parfaitement alignée.

« Il s’agit d’une avancée importante qui permettra d’utiliser des batteries au lithium avec une densité énergétique plus élevée sans dégradation », a-t-il commenté. Stan Whittingham, lauréat du prix Nobel et professeur distingué de chimie à l’Université de Binghamton. « En outre, cette avancée dans le domaine des batteries longue durée sera essentielle pour leur utilisation dans des véhicules pouvant se connecter au réseau afin de le rendre plus résilient et de soutenir des sources d’énergie renouvelables propres. »

La méthode de synthèse de cathode monocristalline riche en nickel est innovante et rentable. Il est également facile à mettre à l’échelle, car il s’agit d’une approche simple qui permet aux fabricants de cathodes d’utiliser les installations de production existantes pour produire confortablement du NMC811 monocristallin, et même des cathodes contenant plus de 80 % de nickel.

« Il s’agit d’une direction fondamentalement nouvelle pour la production à grande échelle de matériaux cathodiques monocristallins », a-t-il déclaré. Jie Xiao, chercheur principal du projet et Battelle Fellow au PNNL. « Ce travail n’est qu’une partie de la technologie cathodique que nous développons au PNNL. En collaboration avec Albemarle, nous relevons les défis scientifiques liés à la synthèse et à la mise à l’échelle de monocristaux et réduisons le coût de fabrication à partir de matières premières.

Mise en œuvre rapide de la technologie des batteries pour les véhicules électriques

Dans la phase de recherche, qui débutera début 2024, Le PNNL, en collaboration avec des partenaires industriels et universitaires, travaillera à une synthèse à l’échelle commerciale et des tests en vue de la production.

Pour y parvenir si rapidement, ils utiliseront des équipements et des techniques de fabrication conventionnels qui ont été industriellement adaptés pour inclure l’approche de mise à l’échelle du PNNL (ainsi que d’autres innovations réduisant davantage les coûts et la production de déchets).

« Lors de la synthèse de monocristaux au niveau du kilogramme, nous avons identifié un tout nouveau monde plein de défis et d’opportunités en matière de science et d’ingénierie », a déclaré Xiao. « Nous sommes ravis d’appliquer ces nouvelles connaissances pour accélérer le processus de fabrication à l’échelle commerciale. »

« Nous ne sommes pas en concurrence avec l’industrie », a déclaré Xiao. « En fait, nous collaborons avec des leaders de l’industrie comme Albemarle pour relever de manière proactive les défis scientifiques afin que l’industrie puisse faire évoluer l’ensemble du processus en fonction des leçons et des connaissances que nous avons acquises en cours de route. »

Ce travail a été soutenu par l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, l’Office des matériaux avancés et des technologies de fabrication et l’Office des technologies des véhicules.

Publié initialement dans Site du PNNL.

Pour Olivier PeckhamPNNL