Développement d’une stratégie de lavage à faible acide pour les cathodes stratifiées riches en nickel

De nouveaux travaux sur le développement d’une stratégie de lavage à l’acide faible pour les cathodes stratifiées riches en nickel ont été publiés dans Progrès des matériaux énergétiques.

« Satisfaire aux exigences de coût et de performance est impératif pour les batteries commercialisées », a déclaré l’auteur de l’article Lai Chen, professeur associé à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Institut de technologie de Pékin. « Actuellement, les batteries lithium-ion ont été largement adoptées sur le marché des véhicules, mais elles doivent encore être développées pour conserver un avantage concurrentiel sur les concurrents. »

Chen a expliqué que les batteries lithium-ion de type automobile ont des exigences strictes sur les matériaux de cathode, telles que des capacités spécifiques élevées, des potentiels de décharge appropriés, une cinétique de transport rapide et une bonne stabilité de structure.

« Parmi les différents candidats de matériaux de cathode, les oxydes de métaux de transition en couches sont très attractifs en raison de leurs capacités spécifiques élevées et de leurs tensions de travail », a déclaré Chen. « En termes de teneur en nickel, une cathode riche en nickel en couches avec une teneur en nickel supérieure à 80 % présente des avantages en termes de coût d’investissement, de capacité gravimétrique et de densité d’énergie, qui sont des facteurs importants pour l’application commerciale. »

Mais des problèmes plus graves s’accompagnent toujours de fractions de nickel plus élevées dans les matériaux stratifiés riches en nickel. Selon Chen, l’un des problèmes les plus aggravants est la formation de phases d’impuretés de surface comme la phase NiO de sel gemme et les composés de lithium résiduels.

Les mécanismes de formation de ces phases d’impuretés sont attribués aux propriétés intrinsèques des matériaux stratifiés riches en nickel. La phase isolante de sel gemme bloque les voies de diffusion Li+/électron, aggravant les performances électrochimiques des matériaux stratifiés riches en nickel. Les composés de lithium résiduels détérioreront les performances globales et causeront des problèmes dans le processus de fabrication d’électrodes ultérieur.

Pour éliminer ces phases d’impuretés de surface nocives pour une application pratique, Chen a déclaré que la plupart des fabricants de batteries ont adapté le processus de lavage pour agiter les poudres de cathode dans de l’eau purifiée pendant quelques heures. Ces processus de lavage pourraient réduire considérablement les phases d’impuretés de surface et la valeur du pH de la poudre. Cependant, l’augmentation de la sensibilité chimique et le temps de traitement prolongé augmentent encore les coûts d’investissement. Chen et son équipe ont passé en revue les derniers travaux, comparant les différentes stratégies de modification pour éliminer les phases d’impuretés de surface indésirables sur lesquelles les recherches futures devraient se concentrer.

« Notamment, il a également été démontré que l’utilisation de traitements acides élimine les phases d’impuretés de surface et modifie la structure de surface des matériaux riches en Ni », a déclaré Chen. « Dans cet article, un matériau stratifié riche en nickel est gravé avec une trace d’acide borique et utilisé comme modèle pour démontrer les influences d’un traitement à l’acide faible sur les régulations de phase de surface. Notre objectif est de fournir une inspiration pour de futures recherches dans le domaine. . »

« Les différents traitements acides contiennent toujours trois étapes, y compris la neutralisation acido-basique entre les phases d’impuretés de surface et l’acide, les réactions d’échange d’ions Li+/H+ et de dissolution des métaux de transition entre la structure cristalline et l’acide, et les réactions de revêtement potentielles pendant le processus de calcination secondaire. »

Selon Chen, compte tenu de la différence de taille des particules, de l’inhomogénéité des phases d’impuretés de surface et des caractéristiques non instantanées du processus de gravure, il est difficile de contrôler avec précision le degré de réaction entre la cathode riche en Ni et la solution acide.

« Différent des réactions nocives d’échange Li + / H + et de dissolution des métaux de transition lors du rinçage avec beaucoup d’eau ou d’acides forts, ce traitement de la solution d’éthanol avec une trace de H3BO3 médiera la réaction avec la phase NiO intrinsèque et le lithium résiduel pour maintenir la stabilité de la structure et prolonger la durée de vie du cycle », a déclaré Chen.

« Notre travail n’utilise que des concentrations plus faibles et des lavages H3BO3 de courte durée pour induire des changements chimiques et améliorer les stabilités électrochimiques de la cathode riche en Ni, qui présente de meilleures performances de stockage et est d’une grande importance pour une application pratique. »

« Nous avons fourni une stratégie nouvelle, efficace et peu coûteuse pour éliminer les phases d’impuretés de surface et améliorer les performances électrochimiques du matériau stratifié riche en nickel », a déclaré Chen. « Une telle stratégie de lavage à l’acide faible convient à une production à grande échelle, favorisant ainsi l’application pratique potentielle. »

« Nos découvertes ont confirmé les effets négatifs de la phase NiO intrinsèque et des composés de lithium résiduels sur la surface des matériaux riches en Ni et amélioré la compréhension traditionnelle de la modification acide », a déclaré Chen.

« L’effet des paramètres de lavage tels que le rapport solide-liquide, le temps de lavage et la concentration d’acide faible sur les matériaux reste un problème à examiner systématiquement. De plus, d’autres études sont nécessaires pour effectuer une vérification en temps réel de ces potentiels. réactions chimiques entre les phases d’acide faible et d’impuretés de surface. Dans l’ensemble, il reste un long chemin à parcourir pour l’application à grande échelle du processus de lavage à l’acide faible.