Synthèse de cathodes en couches exemptes de défauts riches en nickel à cristal unique pour les batteries au lithium évoluées

La plupart des batteries au lithium-ion utilisées aujourd’hui utilisent des matériaux de cathodes structurés en couches (p. ex., LiCoO2 en couches, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) enrichis de cobalt (Co), un matériau dispendieux et rare, ce qui limite leurs applications à grande échelle pour les véhicules électriques et le stockage de l’énergie renouvelable. Dans ce contexte, les chercheurs s’intéressent au développement de cathodes superposées enrichies de nickel (teneur en nickel à 80 % dans une structure en couches, p. ex. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2) comme matériaux de cathode pour les batteries au lithium-ion de prochaine génération. Le nickel est un métal de transition moins cher et plus abondant que le cobalt. De plus, il a été démontré que les cathodes en couches riches en nickel peuvent offrir une capacité plus élevée (>200 mAh/g) en comparaison des cathodes à base de cobalt (~170 mAh/g). Cependant, les structures superposées de cathodes riches en nickel comportent souvent des défauts, en raison des risques de mélange Li/Ni, de ségrégation du Ni en surface, de vacances en oxygène et autres situations, qui s’aggravent à chaque cycle de charge. Ensuite, ces défauts structuraux entraînent une faible capacité de cyclage de charge et une plus courte durée de vie des matériaux, ce qui limite leur potentiel de commercialisation. Ce problème est principalement attribuable au fait que les cathodes riches en Ni contiennent principalement du nickel sous forme de Ni3+, qui a tendance à se réduire spontanément vers sa forme Ni2+ à la suite d’une perte d’oxygène pendant la synthèse, pendant le stockage à l’air libre ou pendant un cycle de charge. Dans ce projet, nous combinons la synthèse à haute pression d’oxygène à une stratégie de traitement de surface par fluoration pour obtenir des cathodes en couches exemptes de défauts riches en nickel à cristal unique, protégées contre les réactions secondaires pendant les cycles de charge. Nos nouvelles cathodes mèneront à des batteries au lithium-ion évoluées à haute densité énergétique et à faible coût, renforçant les efforts du Québec et du Canada vers la création de nouvelles batteries au lithium-ion pour les véhicules électriques et la promotion de l’adoption des véhicules électriques et du stockage de l’énergie renouvelable au niveau du réseau pour une société plus durable.