Actuellement, la plupart des matériaux cathodiques utilisés dans les batteries des véhicules électriques sont des oxydes stratifiés composés de nickel pour plus de 60% des métaux de transition. L’utilisation d’oxyde stratifié riche en nickel est avantageuse pour sécuriser le kilométrage d’un véhicule électrique en raison de sa densité énergétique élevée, mais son utilisation est limitée par l’instabilité de l’offre et de la demande de matières premières de nickel. Comme alternative, les chercheurs se sont concentrés sur les matériaux de cathode spinelle qui utilisent le manganèse comme élément principal, étant donné que le manganèse est échangé à un prix d’environ 1/17 de nickel sur le marché au comptant international; Cependant, le déclin rapide de la durée de vie était un obstacle à la commercialisation.

L’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST, président Seok Jin Yoon) a annoncé que l’équipe de recherche du Dr Jihyun Hong au Centre de recherche sur les matériaux énergétiques a identifié la cause du déclin rapide de la durée de vie – un problème chronique des matériaux de cathode spinelle à base de manganèse de haute capacité. Cette équipe a travaillé à augmenter considérablement la possibilité de commercialiser des batteries au lithium avec des matériaux de cathode de manganèse en tant que batteries de véhicules électriques de prochaine génération.

Les matériaux de cathode spinelle à base de manganèse peuvent théoriquement stocker de l’énergie avec une densité élevée comparable aux matériaux de cathode commerciaux à base de nickel. Compte tenu du prix des matières premières métalliques, la densité d’énergie par prix pour la cathode spinelle à base de manganèse pourrait atteindre 2,8 fois celle des cathodes à base de nickel. Cependant, lors de l’utilisation de la batterie à pleine capacité, une diminution rapide de la durée de vie est observée; En conséquence, pratiquement seulement environ 75% de la valeur théorique a pu être stockée. Il a été établi que le manganèse trivalent (Mn3+) formé au cours du processus de charge et de décharge des matériaux de cathode spinelle à base de manganèse déforme la structure cristalline du matériau, conduisant à l’élution du manganèse dans l’électrolyte et entraînant éventuellement une réduction de la durée de vie du matériau de la cathode. En conséquence, la plupart des recherches se sont concentrées sur la suppression de la formation de manganèse trivalent.

Contrairement aux théories académiques dominantes, l’équipe du Dr Hong au KIST (premier auteur: étudiant chercheur Gukhyun Lim) a récemment découvert que les matériaux cathodiques présentent d’excellentes caractéristiques de durée de vie, même lorsque du manganèse trivalent est formé si la plage de tension de fonctionnement de la batterie est ajustée. L’équipe de recherche a utilisé des techniques avancées de caractérisation des matériaux, y compris des techniques de rayonnement synchrotron, pour interpréter les phénomènes que les théories existantes ne peuvent expliquer. Grâce à des analyses approfondies, pour la première fois, il a été identifié que la réaction latérale à l’interface entre le matériau de la cathode et l’électrolyte pendant le processus répété de charge et de décharge est la cause de la réduction de la durée de vie.

L’équipe de recherche a également présenté une stratégie clé pour améliorer considérablement la durée de vie des matériaux à base de manganèse en stabilisant l’interface cathode-électrolyte. À titre d’exemple de cette stratégie, l’introduction d’un électrolyte sans EC a entraîné une amélioration de 62% de la durée de vie par rapport aux électrolytes commerciaux. Cette amélioration se traduit par la capacité de rétention et de vitesse la plus élevée parmi les performances des matériaux de cathode spinelle à base de manganèse utilisant simultanément les réactions redox de nickel et de manganèse rapportées jusqu’à présent.

Le Dr Hong du KIST a déclaré : « Grâce à cette recherche, le KIST a présenté une nouvelle méthodologie pour la commercialisation de matériaux cathodiques à haute énergie à base de manganèse, qui seront un catalyseur pour l’expansion des véhicules électriques. » Il a également mentionné : « Si le monde universitaire et l’industrie se concentrent sur l’application de la technologie de stabilisation d’interface des matériaux cathodiques à base de nickel, qui a accumulé beaucoup de capacités, aux matériaux cathodiques de nouvelle génération à base de manganèse, nous nous attendons à ce que les entreprises coréennes de l’industrie automobile puissent maintenir un niveau de compétitivité plus élevé à l’avenir. »

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KIST a été créé en 1966 en tant que premier institut de recherche financé par le gouvernement en Corée. KIST s’efforce désormais de résoudre les défis nationaux et sociaux et de sécuriser les moteurs de croissance grâce à une recherche de pointe et innovante. Pour plus d’informations, veuillez visiter le site Web de KIST à l’adresse https://eng.kist.re.kr/

Cette recherche a été menée dans le cadre de grands projets KIST et du programme de recherche individuelle (excellent jeune chercheur, chercheur en milieu de carrière) de la Fondation nationale de recherche de Corée avec le soutien du ministère des Sciences et des TIC (ministre Jong-ho Lee), les résultats de la recherche ayant été sélectionnés en première page de « Advanced Energy Materials » (IF: 29,698, top 2,464% dans le domaine JCR), Une revue de renommée mondiale dans le domaine des matériaux énergétiques.부수적 정보 기술