L’alumine, le « sauveur » des matériaux des batteries cathodiques
La structure de base des batteries lithium-ion comprend l’électrode positive, l’électrode négative, l’électrolyte, le séparateur et l’enveloppe. Le matériau de l’électrode positive est le matériau central des batteries lithium-ion et détermine la densité énergétique, la tension de référence, la durée de vie et la sécurité de la batterie.
Bien que l’oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO₂), l’oxyde de manganèse et de lithium (LiMn₂O₄), le phosphate de fer et de lithium (LiFePO₂) et les matériaux ternaires (Li-Ni-Co-Mn-O₂) soient actuellement commercialisés pour les batteries lithium-ion, ils présentent certains défauts en termes de sécurité, de cyclage, de rétention de capacité, etc. Afin d’améliorer la stabilité des matériaux d’électrode positive, les chercheurs utilisent différentes méthodes de modification, telles que le dopage, le revêtement de surface et deux méthodes communes.
Comment l’alumine améliore-t-elle les performances de l’électrode positive ?
Le revêtement d’alumine sur les matériaux d’électrode positive peut améliorer efficacement la stabilité du cycle, la durée de vie et la stabilité thermique des matériaux d’électrode positive. Les principaux effets de l’Al₂O₃ sur les matériaux d’électrode positive sont les suivants :
(1) Piégeur de fluorure d’hydrogène (HF)
Le LiPF₃ est un électrolyte couramment utilisé dans les électrolytes. Sous haute tension, l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF₃) réagit avec des traces d’eau pour produire du HF.
(2) Barrière de protection physique
L’application d’une couche d’Al₂O₃ à la surface du matériau d’électrode positive permet d’isoler ce dernier de l’électrolyte et d’empêcher les réactions secondaires néfastes entre le matériau d’électrode positive et l’électrolyte.
(3) Amélioration de la stabilité thermique des matériaux d’électrode positive
La stabilité thermique est l’un des facteurs clés de l’évaluation des performances des batteries lithium-ion. Lors de la charge et de la décharge des batteries au lithium, la libération d’oxygène du réseau dans le matériau d’électrode positive provoque l’oxydation de l’électrolyte, réduisant ainsi sa stabilité thermique.
(4) Amélioration de la vitesse de diffusion des ions lithium
Bien que l’oxyde d’aluminium ne soit pas un bon conducteur d’électrons et d’ions, il peut réagir avec le lithium résiduel à la surface du matériau de l’électrode positive lors des processus de charge et de décharge pour générer du LiAlO2, un bon conducteur d’ions qui peut augmenter la vitesse de diffusion des ions lithium. Ceci est principalement dû au fait que le LiAlO2 réduit la barrière d’énergie de diffusion des ions lithium.
(5) Réaction avec LiPF6 pour générer l’additif électrolytique LiPO2F2
L’oxyde d’aluminium déposé à la surface du matériau de l’électrode positive peut réagir avec le sel de lithium (LiPF6) de l’électrolyte pour générer du difluorophosphate de lithium (LiPO2F2), un additif électrolytique stable qui peut améliorer considérablement la stabilité du cycle, la sécurité et les performances du matériau de l’électrode positive.
(6) Inhibition de l’effet Jahn-Teller
L’effet Jahn-Teller est la principale cause de dissolution des ions Mn dans le matériau d’électrode positive. Ce phénomène peut entraîner l’effondrement de la structure du matériau et entraver la diffusion des ions lithium, diminuant ainsi ses performances électrochimiques.
Cinq principales technologies de revêtement
Méthode d’imprégnation : Ajouter le matériau d’électrode positive à la solution ou au sol contenant le précurseur d’aluminium pour former une suspension homogène, puis sécher et calciner pour former un matériau d’électrode positive revêtu d’alumine.
Méthode de précipitation : Mélanger uniformément le matériau d’électrode positive et une solution telle que du nitrate ou du chlorure d’aluminium, ajuster le pH de la solution mélangée pour former une couche de revêtement à la surface du matériau d’électrode positive, puis générer un matériau d’électrode positive revêtu d’alumine par filtration, lavage, séchage et traitement thermique.
Procédé de revêtement à sec : L’alumine et les matériaux d’électrode positive peuvent être mélangés directement pour former une couche de revêtement rugueuse à la surface du matériau d’électrode positive. Bien qu’il soit impossible d’obtenir un revêtement uniforme à la surface du matériau de l’électrode positive, celui-ci améliore ses performances électrochimiques.
Méthode de pulvérisation cathodique : La méthode de pulvérisation cathodique utilise des ions Ar+ pour bombarder le matériau cible (Al), de sorte que les atomes d’Al sont pulvérisés et déposés à la surface du matériau de l’électrode positive.
Technologie de dépôt de couches atomiques (ALD) : En utilisant du triméthylaluminium et d’autres matériaux comme source d’aluminium, l’oxyde d’aluminium est déposé à la surface du matériau de l’électrode positive. L’épaisseur du revêtement peut être contrôlée avec précision et l’augmentation de l’épaisseur du revêtement est obtenue en augmentant le nombre de cycles ALD.