Stockage d'énergie plus sûr et plus durable pour les appareils

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Une équipe de recherche internationale dirigée par Hydro-Québec a accédé au CNBC pour obtenir des informations fondamentales sur la manière de fabriquer de meilleurs matériaux pour les batteries.

Histoires de recherche | Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) | Publié à l'origine le 1er juillet 2016

Les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et d'autres appareils portables utilisent largement des batteries rechargeables au lithium-ion. Ces batteries nécessitent des protections intégrées contre la surchauffe, qui peut entraîner la rupture de l'élément de la batterie, voire un incendie dans les cas extrêmes.

Hydro-Québec explore l'utilisation du phosphate de fer lithié (LiFePO₄) comme cathode dans ces batteries. Ce matériau pourrait éliminer les problèmes de surchauffe, tout en augmentant les performances. L'un des défis de l'utilisation du phosphate de fer lithié est de trouver une méthode efficace de production de ces cristaux afin d'obtenir une grande pureté ainsi qu'une distribution uniforme de la taille et de la forme.

Une méthode consiste à cristalliser le phosphate de fer lithié à partir de solutions à des pressions et températures élevées (environ 180 °C). Cette méthode hydrothermale répond à certains de ces critères et est moins coûteuse que la plupart des autres méthodes. Cela prend cependant de nombreuses heures et beaucoup de cristaux sont formés avec des défauts.

Représentation schématique du mécanisme d'élimination des défauts antisites dans le phosphate de fer lithié (LiFePO₄). Les sphères bleues représentent les ions fer et les sphères vertes les ions lithium. Hours = heures

Pour comprendre comment améliorer la synthèse hydrothermale du phosphate de fer-lithium, des chercheurs de l'IREQ, l'organe de recherche d'Hydro-Québec, se sont rendus au Centre canadien de faisceaux de neutrons pour examiner les structures cristallines des matériaux intermédiaires créés à divers intervalles au cours de la synthèse. Ils ont ensuite répété ces études en introduisant du calcium comme catalyseur.

En utilisant des rayons X et des faisceaux d'électrons, les chercheurs ont déterminé que le calcium avait des effets sur la forme des cristaux. En combinant les méthodes du faisceau de neutrons et du faisceau d'électrons, ils ont pu identifier les matériaux intermédiaires et retracer le développement du phosphate de fer lithié dans chacune des deux méthodes de synthèse (c'est-à-dire avec et sans le catalyseur à base de calcium).

Ils ont constaté que l'ajout d'ions calcium facilite l'élimination des défauts des cristaux de phosphate de fer lithié. Ces éléments ont conduit à l'hypothèse du mécanisme illustré dans la représentation schématique. Selon cette hypothèse, les défauts antisites sont éliminés par l'échange cationique composé de la désintercalation des ions Fe2+ et de l'intercalation des ions Li+. Cette étude apporte des connaissances fondamentales pour soutenir le développement d'une production rapide et peu coûteuse de phosphate de fer lithié de haute qualité, un matériau essentiel pour des batteries plus performantes et plus sûres pour les appareils portables.

DOI:10.1016/j.nanoen.2015.06.005

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.