ETUDE CHRONOLOGIQUEDEL’EVOLUTION DE LATECHENOLOGIES DES BATTERIES LI-ION
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Date
2020-09
Authors
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Publisher
Université Mohamed BOUDIAF de M'Sila
Abstract
La production et le stockage d’énergies est un des grands défis futurs pour couvrir d'une part l’épuisement des ressources naturelles et d’autre part l’utilisation croissante de systèmes sollicitant un apport d’énergie électrique (appareils électroniques portables : micro-ordinateurs, téléphones, caméscopes, véhicules électriques et hybrides, …).
Ces différents marchés ont nécessité le développement de différents systèmes électrochimiques.
Incontestablement, les plus attrayant progrès réalisés durant les deux dernières décennies, les accumulateurs au Lithium-ion.
En effet, les grands nombres des travaux de recherches à travers le monde, s'est couronnés par la décernassions du prix Nobel de chimie 2019 à trois scientifiques chimistes pour leurs travaux ayant contribué à l'évolution de la technologie des batteries Lithium-ion.
Notre contribution c'est limitée a suivre l'évolution de la technologie des batterie li ion. En particulier les effets issus de la nature des matériaux d’électrodes positifs et l'influence de leurs composition et structures, sur les performances électriques et électrochimiques des accumulateurs Li-ion.
Lorsqu'on désire concevoir une batterie, on vise principalement d'augmenter sa capacité spécifique. L’amélioration de la capacité (Q ↑) d'un générateur, reviens à faire augmenter le nombre de moles Li+ insérés par mole de matériau actif (↑ x) et de diminuer la masse molaire des constituants de la batterie (↓M).
La première avancée importante dans la technologie Li-ion, c'été l'utilisation des oxydes lamellaires en remplaçant le soufre par O2 plus électronégatif rend la liaison MX plus, ce qui a pour effet de stabiliser structure et d’augmenter le potentiel du couple redox M (n+1) +/Mn+. En particulier le LiCoO2, ce qui en fait un matériau très utilisé dans le véhicule électrique, les recherches se sont intensifiées sur les oxydes de métaux de transition.
La deuxième étape, les composés de type Li-rich, oxydes lamellaires présentant un excès de lithium, ont montré des potentiels d’intercalation supérieurs à 4 V couplés à une assez grande capacité.
La substitution partielle et totale du Co de LCO a donné une grande variété de structures (spinelle, Nasicon,...). Des composés d'électrode positive ont pu être réalisés avec des performances très attractives (des potentiels au-delà de 5 V).
La troisième étape, c'était de remplacer les oxydes par des polyoxydes. Les matériaux polyanionique présentent une masse molaire supérieure aux oxydes correspondant, ce qui réduit leur capacité théorique, mais présente tout de même plusieurs avantages, surtout d’augmenter le potentiel redox du couple du métal de transition suite a un effet inductif important.
Parmi les plus notables, on peut citer FePO4 (olivine), FePO4.2H2O et Les composés de formule LixMX2O7 (M=Ti, Fe, V, Mn).
Une nouvelle famille de fluorosulfates à performances électrochimiques exceptionnels. Outre le fait de pouvoir être synthétisé à partir d’éléments abondants et à faible température le LiFeSO4F insère réversiblement les ions Li+ à un potentiel de 3,9 V,
La famille de matériaux polyanionique (oxy/hydroxy/fluoro)- phosphates et/ou sulfates semblent les candidats les plus prometteurs pour des matériaux d’électrode positive d’accumulateur Li-ion.
Ces compositions découlent des travaux menés sur les Tavorite LiVPO4F et LiFeSO4F et sont de formule LixMXO4Y avec M= Métal de Transition, X= P ou S, et Y= O, OH, F. La nature inductive du fluor a pour effet d’augmenter encore plus le potentiel d’intercalation du lithium et la structure Tavorite mène à de grandes vitesses de diffusion du lithium selon un chemin unidimensionnel.
Dans le cadre de la recherche de matériaux d'électrodes positifs délivrant de fortes densités d’énergie. De nombreux phosphates et sulfates de métaux de transition et d’alcalins ont été récemment obtenus : ils présentent des compositions et des structures originales, par exemple de type Tavorite, Triplite ... . La possibilité de modifier la nature du métal de transition et des anions permet de moduler la composition, la structure, la liaison chimique et ainsi le potentiel de ces matériaux.. Il s’agit également pour ces matériaux de déterminer les paramètres clé permettant de contrôler la stabilisation de ces composés.
La voie originale consistant à imprégner des carbones mésoporeux afin de cristalliser à l’échelle nanométrique différents composés polyanionique est également un axe de recherche prométeurs .Il s’agit d’évaluer l’influence de la taille des particules sur les mécanismes d’insertion/désinsertion du lithium lors de leur utilisation dans des batteries Lithium-ion mais aussi, de stabiliser de nouveaux polymorphes par effet de nano-confinement
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ETUDE CHRONOLOGIQUEDEL’EVOLUTION DE LATECHENOLOGIES DES BATTERIES LI-ION