Stabilisation des batteries lithium-ion avec un additif d’électrolyte synthétisé par voie microbienne


Les batteries lithium-ion (Li-ion) à haute densité d’énergie sont indispensables pour alimenter les véhicules électriques et hybrides, l’électronique de nouvelle génération et les réseaux électriques. Ces batteries Li-ion contiennent des cathodes à haute densité d’énergie à base d’oxydes de métaux de transition. Parmi les nombreux matériaux potentiels étudiés, le LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Il a été démontré que la cathode offre les meilleures performances à un potentiel élevé de 4,5 V par rapport à Li/Li+ avec une capacité réversible élevée.

Cependant, à des potentiels aussi élevés, les espèces de carbonate dans les électrolytes commerciaux – le carbonate d’éthylène et le carbonate de diéthyle – subissent une décomposition oxydative excessive. Ceci, à son tour, forme une épaisse interphase d’électrolyte cathodique (CEI) sur la surface de la cathode, compromettant gravement ses performances. Par conséquent, les chercheurs ont exploré les additifs électrolytiques comme moyen de limiter la dégradation des performances en masquant et en stabilisant la surface de la cathode. Cependant, les options actuellement disponibles présentent des risques pour la sécurité et l’environnement.

Récemment, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Noriyoshi Matsumi du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), a synthétisé par voie microbienne la 2,5-diméthyl-3,6-bis(4-aminobenzyl)pyrazine (DMBAP), un bio- à base de composé, comme additif potentiel pour stabiliser le LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cathodes. Ce qui distingue leur approche est le fait que, contrairement aux additifs existants, le DMBAP est durable, écologique, rentable et non toxique.

L’équipe comprenait l’ancien maître de conférences Rajashekar Badam, le chercheur postdoctoral Agman Gupta et l’étudiant au doctorat Noriyuki Takamori de JAIST, ainsi que le professeur Naoki Takaya, le professeur adjoint Shunsuke Masuo et l’ancien étudiant diplômé Hajime Minakawa de l’Université de Tsukuba au Japon. Leurs découvertes ont été publiées dans la revue Scientific Reports.

« Bien que les matériaux dérivés de la biomasse attirent à la fois les chercheurs et la société en général, leurs applications dans les appareils électriques, y compris les batteries lithium-ion, sont encore limitées. cluster de Pseudomonas fluorescens SBW25, découvert en collaboration avec le professeur Masuo. Son rôle en tant qu’additif électrolytique pourrait avoir un impact sur les domaines de la durabilité et de l’industrie des cellules intelligentes », explique le professeur Takaya, parlant de la motivation derrière l’étude.

Une première évaluation théorique a révélé que l’orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) de la molécule DMBAP était située à une position plus élevée par rapport à un électrolyte à usage général. Cela lui a permis de s’oxyder facilement à la surface de la cathode et de former une couche protectrice dessus. De plus, la diamine dans le DMBAP a empêché la dissolution du CEI.

L’équipe a en outre effectué une évaluation électrochimique détaillée du DMBAP pour une analyse plus approfondie. L’énergie de la bande HOMO a été confirmée à l’aide d’une voltamétrie à balayage linéaire, tandis que la spectroscopie photoélectronique à rayons X a révélé des pics C-N=C indiquant une électropolymérisation oxydative. Des études de voltamétrie cyclique et de charge-décharge ont montré que l’additif DMBAP stabilisait le LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cathode en améliorant la capacité de débit de la batterie, la stabilité cyclique, l’efficacité coulombique et la rétention de capacité. De plus, des expériences de spectroscopie d’impédance électrochimique dynamique ont démontré la formation d’un CEI à faible résistance interfaciale.

Sur la base de ces résultats, l’équipe a conclu que le DMBAP avait subi une décomposition oxydative sacrificielle, formant une armure de passivation organique sur la surface de la cathode. Ceci, à son tour, limitait la dégradation excessive de l’électrolyte et stabilisait la structure des oxydes de métaux de transition sur la cathode. En effet, ce phénomène vertueux augmente la fenêtre de potentiel de fonctionnement de LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cathode à 4,5 V contre Li/Li+. De plus, l’effet stabilisateur du DMBAP sur le système de batterie était remarquable pour les configurations à demi-cellule et à cellule complète.

« Le composé de pyrazine-amine préparé microbiennement DMBAP augmentera les performances des batteries secondaires au lithium-ion essentielles pour les véhicules électriques et les drones de nouvelle génération. Il favorisera également une utilisation plus large des ressources biosourcées dans l’industrie automobile à grande échelle. les matériaux biosourcés pour les dispositifs de stockage d’énergie réduiront doublement les émissions de dioxyde de carbone – pendant la fabrication et l’exploitation », déclare le professeur Matsumi, discutant des avantages futurs de leur travail.

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