Dans une étude publiée le 6 mars dans la revue Nature Communication, une équipe de chercheurs allemands, suisses, russes et français emmenés par Jean-Marie Tarascon, directeur du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E), décrivent une nouvelle phase dans la structure du matériau qui compose la cathode des batteries lithium-ion à base de nickel, manganèse, cobalt (NMC) et enrichies en lithium (Li-rich NMC).
Pour mettre en évidence cette nouvelle phase, ils ont observé les mécanismes d’évolution structurelle au cœur d’une électrode Li-rich NMC soumise à des conditions d’oxydation et de réduction plus sévères que d’habitude : une tension de 4,8 V à l’oxydation (contre 4,5 V généralement) et de 1,2 V à la réduction (contre 1 V généralement). Sa formation, à l'intérieur du cristal, se produit lors de la charge, lorsque les ions lithium s’échappent et laissent leurs sites vacants qui sont comblés par les métaux de transition (Ni, Mn, Co), et en particulier le Mn. « L’apparition de cette nouvelle phase est d’une importance primordiale parce qu’au moment de la décharge, elle est capable de réinsérer plus d’ions lithium que les phases enrichies en lithium « classiques » », explique le RS2E. Le CNRS résume en indiquant que l’électrode « fonctionne mieux et s’use moins lors de chaque cycle de charge/décharge. » Toutefois, les niveaux de tension plus élevés utilisés ont tendance à endommager l’électrolyte.
Ce nouvel élément apporté à la compréhension des phénomènes qui se déroulent au cœur des batteries Li-rich NMC pourrait aider à surmonter les points faibles de ces nouvelles batteries : chutes de tension, perte d’énergie par dissipation de chaleur et une cinétique lente. Leur point fort étant leur capacité de charge électrique élevée (jusqu’à 300 mAh/g) par rapport à celle des batteries lithium-ion NMC classiques (environ 200 mAh/g), ce qui permet d’atteindre une meilleure densité d’énergie. Cela est dû au fait que les batteries Li-rich NMC stockent de l’énergie en mettant à contributions les ions positifs et négatifs, tandis que les Li-ion NMC classiques n’utilisent que les ions positifs.
