Étude : L’exposition à l’air accélère le vieillissement des batteries riches en nickel
Des chercheurs de l’Université Hanyang en Corée du Sud ont identifié un mécanisme de vieillissement jusqu’alors négligé dans les matériaux cathodiques riches en nickel et dépourvus de cobalt. Leurs découvertes indiquent que le simple stockage des matériaux précurseurs à l’air peut provoquer des changements chimiques qui réduisent considérablement la durée de vie de la batterie.
Les chercheurs se sont concentrés sur des cathodes sans cobalt, dotées d’un noyau riche en nickel et d’un revêtement riche en manganèse. Ces matériaux sont considérés comme une approche prometteuse pour augmenter l’autonomie des véhicules électriques tout en réduisant la dépendance au cobalt, matière première essentielle. Cependant, l’équipe a découvert que le simple stockage des matériaux précurseurs à l’air peut déclencher des changements chimiques qui accélèrent le vieillissement de la batterie.
D’après cette étude, le stockage de matériaux précurseurs à l’air provoque l’oxydation du manganèse présent à la surface des particules. Cette oxydation crée des régions de surface défectueuses contenant des espèces de manganèse déformées selon le phénomène de Jahn-Teller. Ces espèces réagissent particulièrement fortement avec l’électrolyte, favorisent la dissolution des métaux de transition et déclenchent des réactions nocives à l’anode en graphite. Dans les systèmes de batteries riches en nickel examinés, les chercheurs ont constaté que cet effet doublait presque la perte de capacité lors des tests de cyclage à long terme.
« Nous avons découvert qu’une coque riche en manganèse, généralement introduite pour protéger les cathodes à fort taux de nickel, peut au contraire devenir un catalyseur de dégradation si la chimie des précurseurs n’est pas soigneusement contrôlée », a expliqué le professeur Bang. « Même de petites variations dans les conditions de stockage des précurseurs peuvent avoir un impact significatif sur la stabilité de la batterie. »
En tant que solution potentielle, les chercheurs proposent d’augmenter la teneur en lithium lors de la synthèse. Selon l’étude, cette approche empêche la formation de la phase de surface défectueuse et restaure un lien stable entre le manganèse et l’oxygène. Lors des essais, les cathodes produites avec cette méthode ont conservé plus de 90 % de leur capacité, ce qui démontre une amélioration significative de leur stabilité à long terme.
L’équipe de recherche estime que ces résultats offrent des informations précieuses pour le développement de cathodes à haute énergie ne contenant pas de cobalt. Ils soulignent que l’élimination pure et simple du cobalt n’est pas suffisante. « Nos résultats montrent que même de légères variations dans l’histoire des précurseurs peuvent avoir des conséquences majeures sur les performances de la batterie, ce qui rend la gestion des précurseurs un facteur important pour une production à grande échelle », a ajouté le professeur Bang.
Selon les chercheurs, un contrôle rigoureux de la manipulation des matériaux et de la stœchiométrie du lithium pourrait permettre d’obtenir des batteries plus durables de manière relativement simple, sans avoir recours à des revêtements coûteux supplémentaires ou à des modifications fondamentales des lignes de production.
Afin de clarifier les choses, cette étude ne porte pas sur les batteries LFP et NMC utilisées dans la plupart des véhicules électriques actuels. Elle se concentre plutôt sur des cathodes sans cobalt, riches en nickel, dotées de couches protectrices riches en manganèse, qui sont en cours de développement comme successeurs potentiels des cellules lithium-ion actuellement riches en nickel. Les résultats fournissent ainsi des éléments d’information utiles pour le développement de batteries de traction futures, montrant que la durabilité à long terme dépend non seulement de la chimie de la cellule mais aussi d’un contrôle rigoureux du processus de fabrication.