Les particules de titanate de lanthane et de lithium permettent des densités de puissance élevées même dans des tailles micrométriques – publication dans Nature Communications
Publié à l'origine sur l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT)
Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l'Université de Jilin à Changchun/Chine ont étudié un matériau d'anode très prometteur pour les futures batteries hautes performances :le titanate de lanthane et de lithium à structure cristalline pérovskite (LLTO). Comme l'a rapporté l'équipe dans la revue Nature Communications, LLTO peut améliorer la densité d'énergie, la densité de puissance, le taux de charge, la sécurité et la durée de vie des batteries sans nécessiter une diminution de la taille des particules de l'échelle micro à nano. (DOI :10.1038/s41467-020-17233-1)
La demande de véhicules électriques augmente, accompagnée d'un besoin croissant de réseaux intelligents qui assurent un approvisionnement énergétique durable. Ces technologies mobiles et stationnaires, ainsi que d'autres, nécessitent des batteries adaptées. Stocker autant d'énergie que possible dans le plus petit espace possible avec le poids le plus faible possible - les batteries lithium-ion (LIB) répondent toujours mieux à cette exigence. La recherche vise à améliorer la densité d'énergie, la densité de puissance, la sécurité et la durée de vie de ces batteries. Le matériau de l'électrode est d'une importance majeure ici. Les anodes des batteries lithium-ion sont constituées d'un collecteur de courant et d'un matériau actif appliqué dessus qui stocke l'énergie sous forme de liaisons chimiques. Dans la plupart des cas, le graphite est utilisé comme matière active. Cependant, les électrodes négatives en graphite ont un faible taux de charge. De plus, ils sont associés à des problèmes de sécurité. Parmi les matières actives alternatives, l'oxyde de titanate de lithium (LTO) a déjà été commercialisé. Les électrodes négatives avec LTO présentent un taux de charge plus élevé et sont considérées comme plus sûres que celles en graphite. L'inconvénient est que les batteries lithium-ion avec oxyde de titanate de lithium ont tendance à avoir une densité d'énergie plus faible.
Extrait de : perovskite de titanate de lanthane et de lithium comme anode pour les batteries lithium-ion
une structure cristalline schématique ; b Raffinement de Rietveld à base de poudre XRD; c Images HAADF de grande surface de pérovskites LLTO le long de l'axe de la zone [100]. Barre d'échelle :5 nm; d Image HAADF-STEM de LLTO. Barre d'échelle :2 nm; e Image ABF-STEM ; f Agrandi de HAADF-STEM ; g Agrandie d'ABF-STEM. Les boules verte, bleue et rouge en e et g représentent respectivement les atomes de La, Ti et O.
L'équipe autour du professeur Helmut Ehrenberg, responsable de l'Institut des matériaux appliqués - Systèmes de stockage d'énergie (IAM-ESS) du KIT, a maintenant étudié un autre matériau d'anode très prometteur :le titanate de lanthane et de lithium à structure cristalline pérovskite (LLTO). Selon l'étude, qui a été réalisée en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Jilin à Changchun (Chine) et d'autres instituts de recherche en Chine et à Singapour, les anodes LLTO ont un potentiel d'électrode inférieur à celui des anodes LTO commercialisées, ce qui permet une tension de cellule plus élevée. et une plus grande capacité.La tension des cellules et la capacité de stockage déterminent en fin de compte la densité d'énergie d'une batterie », explique Ehrenberg. "À l'avenir, les anodes LLTO pourraient être utilisées pour construire des cellules hautes performances particulièrement sûres avec une longue durée de vie."
L'étude contribue aux travaux de la plateforme de recherche sur le stockage électrochimique, CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe), l'une des plus grandes plateformes de recherche sur les batteries au monde, qui comprend également le pôle d'excellence POLiS.
Outre la densité d'énergie, la densité de puissance, la sécurité et la durée de vie, le taux de charge est un autre facteur déterminant pour l'adéquation d'une batterie à des applications exigeantes. En principe, le courant de décharge maximal et le temps de charge minimal dépendent du transport des ions et des électrons à la fois dans le corps solide et aux interfaces entre les matériaux d'électrode et d'électrolyte. Pour améliorer le taux de charge, il est courant de réduire la taille des particules du matériau d'électrode de l'échelle micro à nano. L'étude, qui a été publiée dans la revue Nature Communications par les chercheurs du KIT et leurs partenaires de coopération, montre que même les particules de quelques micromètres dans les LLTO à structure pérovskite présentent une densité de puissance plus élevée et un meilleur taux de charge que les nanoparticules LTO. L'équipe de recherche attribue cela à la soi-disant pseudocapacité de LLTO :non seulement des électrons individuels sont attachés à ce matériau d'anode, mais également des ions chargés, qui sont liés par des forces faibles et peuvent transférer de manière réversible des charges à l'anode. "Grâce aux particules plus grosses, LLTO permet essentiellement des processus de fabrication d'électrodes plus simples et plus rentables", explique Ehrenberg.
Publication originale (Open Access) :
Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu &Fei Du :perovskite de titanate de lanthane au lithium comme anode pour les batteries lithium-ion. Nature Communications, 2020. DOI :10.1038/s41467-020-17233-1
Image sélectionnée :Représentation schématique de la structure cristalline pérovskite du titanate de lanthane et de lithium. (Illustration :Fei Du/Université de Jilin)
Autre matériel :
Publication dans Nature Communications :
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1
Presse avec l'aimable autorisation de KIT Energy Center
