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TUM0117rapport de recherche

Les batteries dont la cathode est constituée d’un mélange de nickel, de manganèse, de cobalt et de lithium sont actuellement considérées comme les plus puissantes. Mais ils ont aussi une durée de vie limitée. Déjà au premier cycle, ils perdent jusqu'à 10% de leur capacité. Une équipe interdisciplinaire de scientifiques de l’Université technique de Munich (TUM) a exploré plus en détail en quoi consiste cette action et ce qu’il est possible de faire contre la perte de capacité progressive qui s’ensuit, à l’aide de positrons.


Les batteries dites NMC, dont les cathodes sont constituées d’un mélange de nickel, de manganèse, de cobalt et de lithium, ont en grande partie délogé les batteries classiques au lithium-oxyde de cobalt du marché. Ils sont moins chers et plus sûrs et sont donc utilisés entre autres pour les voitures électriques et hybrides.

Mais même avec eux, leur contribution à la capacité réelle n’est que légèrement supérieure à 50%. Si 62% des atomes de lithium ont été libérés du réseau cristallin lors de la première décharge des électrodes étudiées à la TU München, seul 54% reviendra une fois rechargée.

Dans les cycles suivants, la perte est beaucoup plus faible, mais la capacité diminue progressivement. Après quelques milliers de cycles, la capacité restante est si faible que la batterie devient inutilisable.

Les positons capturés montrent des trous dans la grille

Les recherches effectuées par d'autres groupes ont montré qu'apparemment tous les atomes de lithium ne retrouvaient pas leur chemin dans les lacunes appropriées du réseau cristallin lors du chargement. Cependant, les méthodes précédentes ne pouvaient pas montrer les processus atomiques responsables.

La solution apportait, comme souvent, la collaboration interdisciplinaire: Irmgard Buchberger, membre du département d’électrochimie technique de l’Université technique de Munich, s’adressa à Stefan Seidlmayer, qui effectue également des recherches sur les technologies de batterie au Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) de la source de neutron de recherche FRM II ,

Il a arrangé le contact avec Christoph Hugenschmidt, qui supervise l'instrument Nepomuc au MLZ. Il génère des positrons, les antiparticules d'électrons, qui peuvent être utilisés pour rechercher des trous dans les réseaux cristallins.

"En tant que particules extrêmement petites et très mobiles, les positrons peuvent voler à travers les matériaux. S'ils frappent un électron, ils se retrouvent dans un éclair d'énergie, ils trouvent un point vide dans le réseau cristallin, ils survivent beaucoup plus longtemps ", explique Markus Reiner, qui a effectué les expériences sur l'instrument Nepomuc.

Comme les positrons sont piégés dans les sites de réseau vides peu de temps avant de prendre enfin feu, la spectroscopie d’annihilation des positons peut être utilisée pour tirer des conclusions précises sur l’environnement local - et ceci avec une très grande sensibilité, dans la mesure où il 1: millions détectés.

Développement de matériel ciblé

L'étude montre clairement que les "trous" restants dans la grille du matériau de la cathode pendant la recharge sont accompagnés d'une perte de capacité irréversible et que ce blocage est dû au remplissage insuffisant des trous du matériau de la cathode.

"C'est maintenant à notre tour de redevenir chimiste", explique le professeur Hubert Gasteiger, titulaire de la chaire d'électrochimie technique. "Avec une modification ciblée du matériau de la cathode, nous pouvons maintenant rechercher des moyens de contourner cette barrière."

"La source de neutrons pour la recherche de Garching est un instrument extrêmement utile pour la recherche sur les batteries", explique Ralph Gilles, qui coordonne les mesures pour le projet de recherche sur les batteries "excellent" au FRM II. "Les neutrons nous permettent de voir, en particulier, de petits atomes tels que le lithium, même à travers la coque en métal, pendant le fonctionnement. Avec les positrons, nous avons maintenant une nouvelle opportunité de mieux comprendre les processus et donc de les améliorer. "

La recherche a été financée par des fonds du Ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (BMBF) dans le cadre du projet Exzelltum. Le fonctionnement du spectromètre d'élargissement Doppler coïncident utilisé pour l'étude bénéficiera également d'un financement du BMBF.
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