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L'innovation pourrait conduire à un stockage d'énergie plus sûr et plus durable pour les véhicules et appareils électriques


Des chercheurs de l’Université de Californie à Irvine et de quatre laboratoires nationaux ont mis au position un moyen de fabriquer des cathodes de batterie lithium-ion sans utiliser de cobalt, un minéral en proie à la volatilité des prix et aux complications géopolitiques.

Dans un posting publié aujourd’hui dans Mother nature, les scientifiques décrivent remark ils ont surmonté les instabilités thermiques et chimico-mécaniques des cathodes composées essentiellement de nickel – un substitut courant du cobalt – en mélangeant plusieurs autres éléments métalliques.

“Grâce à une procedure que nous appelons” dopage à haute entropie “, nous avons pu fabriquer avec succès une cathode en couches sans cobalt avec une tolérance à la chaleur et une stabilité extrêmement élevées sur des cycles de cost et de décharge répétés”, a déclaré l’auteur correspondant Huolin Xin, professeur à l’UCI. de physique et d’astronomie. “Cette réalisation résout les problèmes de sécurité et de stabilité de longue day concernant les matériaux de batterie à haute teneur en nickel, ouvrant la voie à des programs commerciales à grande échelle.”

Le cobalt est l’un des risques les in addition importants de la chaîne d’approvisionnement menaçant l’adoption généralisée des voitures électriques, des camions et d’autres appareils électroniques nécessitant des batteries, selon les auteurs de l’article. Le minerai, chimiquement adapté à la stabilisation des cathodes de batteries lithium-ion, est extrait presque exclusivement en République démocratique du Congo dans des conditions abusives et inhumaines.

“Les fabricants de véhicules électriques sont impatients de réduire l’utilisation du cobalt dans leurs batteries, non seulement pour réduire les coûts, mais aussi pour contrer les pratiques de travail des enfants utilisées pour extraire le minerai”, a déclaré Xin. “La recherche a également montré que le cobalt peut entraîner une libération d’oxygène à haute rigidity, causant des dommages aux batteries lithium-ion. Tout cela indique un besoin d’alternatives.”

Cependant, les cathodes à foundation de nickel présentent leurs propres problèmes, tels qu’une mauvaise tolérance à la chaleur, ce qui peut entraîner une oxydation des matériaux de la batterie, un emballement thermique et même une explosion. Bien que les cathodes à haute teneur en nickel acceptent des capacités moreover importantes, la contrainte volumique because of à l’expansion et à la contraction répétées peut entraîner une mauvaise stabilité et des problèmes de sécurité.

Les chercheurs ont cherché à résoudre ces problèmes grâce à un dopage à haute entropie complexe sur le program de la composition à l’aide de HE-LMNO, un amalgame de métaux de changeover magnésium, titane, manganèse, molybdène et niobium à l’intérieur de la structure, avec un sous-ensemble de ces minéraux utilisés à sa area et à son interface. avec d’autres matériaux de batterie.

Xin et ses collègues ont utilisé un ensemble d’instruments de diffraction des rayons X synchrotron, de microscopie électronique à transmission et de nanotomographie 3D pour déterminer que leur cathode sans cobalt présentait un changement volumétrique sans précédent de zéro lors d’une utilisation répétée. La framework très stable est able de résister à as well as de 1 000 cycles et à des températures élevées, ce qui la rend similar aux cathodes à teneur en nickel beaucoup as well as faible.

Pour certains de ces outils de recherche, Xin a collaboré avec des chercheurs du Countrywide Synchrotron Mild Resource II, situé au Brookhaven National Laboratory du Département américain de l’énergie à New York. En tant qu’installation utilisateur du DOE Office environment of Science, NSLS-II a offert à l’équipe l’accès à trois de ses 28 instruments scientifiques – appelés lignes de lumière – pour étudier la framework interne de la nouvelle cathode.

“La combinaison des différentes méthodes sur les lignes de lumière NSLS II a permis de découvrir un effet de piégeage des lacunes et des défauts d’oxygène à l’intérieur du matériau, qui empêche efficacement la development de fissures dans la particule secondaire HE-LMNO, rendant cette structure extrêmement steady pendant le cyclage.” a déclaré le co-auteur Mingyuan Ge, scientifique au NSLS-II.

Xin a ajouté : “Grâce à ces outils avancés, nous avons pu observer la stabilité thermique considérablement accrue et les caractéristiques de changement volumétrique nul de la cathode, et nous avons pu démontrer une rétention de capacité et une durée de vie du cycle extraordinairement améliorées. Cette recherche pourrait définir la scène pour le développement d’une alternate énergétiquement dense aux batteries existantes.”

Il a déclaré que le travail représente une étape vers la réalisation du double objectif de stimuler la prolifération des transports propres et du stockage de l’énergie tout en abordant les problèmes de justice environnementale liés à l’extraction des minéraux utilisés dans les batteries.

Ce projet, qui a été financé par le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du Département américain de l’énergie, a également impliqué des chercheurs de l’Argonne Countrywide Laboratory de l’Illinois, du Pacific Northwest Countrywide Laboratory de Washington et du SLAC Countrywide Accelerator Laboratory de Californie.