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Nanofleurs de titanate de lithium (Laboratoire national de Brookhaven)

Le principe de fonctionnement des batteries au lithium est le suivant : pendant la charge, les ions lithium se déplacent entre l'électrode positive (cathode) et l'électrode négative (anode) ; pendant la décharge, les ions lithium se déplacent dans la direction opposée. De nos jours, les batteries au lithium utilisées dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques utilisent généralement des anodes en graphite. Pendant la charge, les ions lithium seront insérés dans l'anode en graphite ; lors de l'utilisation de la batterie, les ions lithium seront retirés de la batterie.

Bien que le graphite puisse supporter des centaines voire des milliers de cycles de charge et de décharge, il ne peut pas stocker suffisamment de capacité pour les applications à forte consommation d'énergie. Par exemple, l'autonomie des véhicules électriques n'est pas suffisamment longue. De plus, le graphite ne peut pas se charger et se décharger à un rythme élevé (puissance). C'est pourquoi les scientifiques ont recherché des matériaux d'anode alternatifs.

Le titanate de lithium (LTO) est un matériau d'anode prometteur composé de lithium, de titane et d'oxygène. En plus de pouvoir charger et décharger à des vitesses élevées, le LTO présente également une bonne stabilité de cyclage et un espace suffisant pour accueillir des ions lithium (avec une grande capacité). Cependant, la faible conductivité du LTO peut entraîner une lente diffusion des ions lithium dans le matériau.

Selon les médias étrangers, Amy Marschilok, professeure agrégée de chimie à temps partiel au département des sciences des matériaux et de génie chimique de l'université de Stony Brook, a déclaré que la capacité disponible du LTO pur est modérée, mais qu'il ne peut pas transmettre rapidement de l'électricité. Amy Marschilok est également directrice adjointe du Center for Mesoscale Transport Properties, ainsi que responsable de la division de stockage d'énergie et scientifique au Brookhaven National Laboratory, un département interdisciplinaire du ministère américain de l'Énergie. Elle a également déclaré que les matériaux de batterie à grande vitesse sont très intéressants pour des applications telles que les véhicules électriques, les outils électriques portables et les systèmes d'alimentation de secours qui nécessitent un stockage d'énergie rapide en quelques minutes.

Marschilok est également membre de l'équipe Stony Creek du Brookhaven National Laboratory, qui collabore à la recherche sur le LTO depuis 2014. Lors de recherches récentes, l'équipe a ajouté du chlore au LTO grâce à un processus de dopage, augmentant ainsi sa capacité de 12%.

Stanislaus Wong, professeur émérite au département de chimie de l'université de Shixi et chercheur important au sein de l'équipe de recherche étudiante, a déclaré que les processus de dopage contrôlés peuvent modifier les propriétés électroniques et structurelles des matériaux. Dans mon équipe, nous souhaitons utiliser les connaissances chimiques pour guider la conception de corrélations favorables entre les propriétés structurelles. En ce qui concerne le LTO, l'ajout d'atomes dopés peut améliorer sa conductivité, élargir son réseau et élargir le canal de transport des ions lithium. Les scientifiques ont testé de nombreux types de dopants différents, mais n'ont pas beaucoup étudié le chlore.

Pour fabriquer du LTO dopé au chlore, l’équipe a utilisé une méthode de synthèse hydrothermale. Au cours du processus de synthèse hydrothermale, les scientifiques ont ajouté une solution contenant le précurseur pertinent (le matériau de réaction utilisé pour produire le produit souhaité) à l’eau, ont placé le mélange dans un récipient hermétique et l’ont laissé à une température et une pression relativement modérées pendant un certain temps. Dans ce cas, afin d’élargir l’échelle expérimentale, les scientifiques ont choisi des précurseurs de titane liquide au lieu de la feuille de titane solide utilisée dans les réactions précédentes. Après une synthèse hydrothermale de LTO pur et de LTO dopé au chlore pendant 36 heures, les scientifiques ont utilisé des étapes de traitement chimique supplémentaires pour séparer les matériaux requis. L’équipe a également mené des études d’imagerie à l’aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) dans l’installation de microscopie électronique du Functional Nanomaterials Center (CFN) du Brookhaven National Laboratory, et a découvert que les deux échantillons avaient des nanostructures en forme de fleur, ce qui indique que le processus de traitement chimique n’a pas endommagé la structure d’origine des matériaux.

Wong a déclaré que notre nouvelle méthode de synthèse favorise des réactions rapides, uniformes et efficaces, permettant la production à grande échelle de telles nanofleurs 3D. Cette architecture unique présente une grande surface, avec des pétales rayonnant vers l'extérieur à partir du centre, offrant de multiples voies pour que les ions lithium pénètrent dans le matériau.

En modifiant les concentrations de chlore, de lithium et de précurseurs, la pureté des précurseurs et le temps de réaction, les scientifiques ont trouvé les conditions optimales pour créer des nanomatériaux à haute teneur en cristaux. Les scientifiques ont mené plusieurs tests électrochimiques à l'aide d'échantillons optimisés et ont découvert que lorsque la batterie était déchargée à un rythme élevé pendant 30 minutes, le LTO dopé au chlore avait une grande capacité disponible, et cette performance était toujours maintenue après plus de 100 cycles de charge et de décharge.

Pour comprendre pourquoi les performances peuvent être améliorées, l’équipe a utilisé la théorie informatique pour modéliser les changements structurels et électroniques causés par le dopage au chlore. En calculant la structure géométrique la plus stable du LTO dopé au chlore, l’équipe a découvert que le chlore préférait remplacer la position de l’oxygène dans la structure du LTO.

L’équipe étudiera ensuite comment la forme des nanofleurs 3D affecte le transport des ions lithium. En outre, elle étudie également des matériaux alternatifs pour les anodes et cathodes au niveau atomique afin d’améliorer le transport des ions lithium.