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Nanomatériaux d’électrodes pour des batteries lithium-ion

 

Les batteries lithium-ion offrent un grand potentiel en matière d’électromobilité. L’exploitation optimale de ce potentiel requiert des développements au niveau de la densité d’énergie et de l’efficacité de ces batteries. La solution pourrait être la mise à l’échelle nanométrique des matériaux actifs.

Contexte (projet de recherche terminé)

La plupart des batteries lithium-ion disponibles dans le commerce utilisent un oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO2) comme matériau d’électrode. Lors du chargement et du déchargement de la batterie, les ions lithium migrent via ce matériau d’électrode. La taille des particules de LiCoO2 des batteries conventionnelles étant de l’ordre du micromètre, soit relativement importante, les ions lithium ont beaucoup de mal à se diffuser dans le matériau – ce qui limite l’efficacité des batteries. Réduire le LiCoO2 à la taille de nanoparticules permettrait de raccourcir les voies de diffusion et d’améliorer ainsi la conductivité du matériau. Le groupe de recherche de Katharina Fromm a étudié différents nanomatériaux et méthodes de production susceptibles d’améliorer la performance des batteries lithium. En collaboration avec d’autres groupes de recherche du PNR 64, les possibles risques de santé liés au recyclage de telles batteries ont également été étudiés.

Résultats

Les expériences réalisées dans ce projet ont montré que la performance des batteries lithium peut être optimisée en réduisant le matériau d’électrode à l’échelle nanométrique. Dans le premier volet du projet, un nouveau procédé de production a permis la fabrication de matériau actif de LiCoO2 avec des particules de taille nanométrique. Ceci a permis de constater que la diffusion des ions lithium était quelque 100 fois plus rapide dans le matériau d’électrode de taille nanométrique que dans le matériau d’électrode conventionnel. Un tout nouveau matériau d’électrode à base de LiMnPO4 a été fabriqué, de taille nanométrique et de diverses formes et granularités. La qualité du matériau en termes de batterie a été testé sur de vraies piles bouton. En optimisant le matériau d’électrode, une densité de charge maximale a pu être atteinte. Pour identifier les possibles risques pour la santé liés au recyclage de telles batteries, l’effet des nanoparticules sur les cellules pulmonaires a été comparé à celui des microparticules en collaboration avec Barbara Rothen-Rutishauser. Les résultats indiquent une différence de réaction des cellules pulmonaires selon que les ions lithium sont sous forme nano ou sous forme conventionnelle. Confirmer ces résultats nécessite toutefois de réaliser des études sur le long terme et des expériences avec des concentrations plus élevées.

Importance

Ce projet démontre une possible amélioration de la performance des batteries lithium-ion grâce à la mise à l’échelle nanométrique du matériau actif, sans pour autant impacter la densité d’énergie. Ces résultats montrent que la nanotechnologie peut contribuer à résoudre de nombreux problèmes liés aux batteries conventionnelles dans le domaine du stockage de l’énergie. Ce projet livre en outre d’importantes données pour évaluer les risques pour la santé que peuvent générer la production et le recyclage de ce type de batteries.

Titre original

Chances and Risks of Nanoscale Electrode Materials for Li-Ion-Batteries

Direction du projet

  • Prof. Katharina M. Fromm

Autre requérant-e-s

  • Prof. Barbara Rothen-Rutishauser

 

 

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 Contact

Prof. Katharina M. Fromm Département de chimie
Université de Fribourg
Ch. du Musée 9 1700 Fribourg +41 26 300 8732 katharina.fromm@unifr.ch