Défaillance électrochimique et mécanique causée par des défauts de rotation empilée dans une cathode d’oxyde stratifié

Introduction

La dégradation électrochimique et mécanique est l’une des principales causes de baisse de capacité des matériaux cathodiques à haute densité énergétique, en particulier les oxydes stratifiés par insertion. Cet article met en évidence la présence de défauts de rotation empilée (Rotational Stacking Faults, RSFs) dans les oxydes stratifiés de lithium et de métaux de transition, ces défauts résultant de séquences d’empilement spécifiques à différents angles, ce qui affecte significativement la stabilité structurelle et électrochimique du matériau. Les recherches montrent que les RSFs favorisent la dimérisation de l’oxygène et la migration des métaux de transition, ce qui conduit à la formation et à la propagation de micro-fissures, entraînant ainsi une dégradation électrochimique et mécanique cumulative au cours du cycle. Cet article explore également l’élimination des défauts thermiques comme solution potentielle, montrant qu’elle peut inhiber les RSFs, réduire les micro-fissures et prolonger la durée de vie des cathodes à couches enrichies en lithium. La présence généralisée mais auparavant ignorée des RSFs propose un nouveau guide de synthèse pour les cathodes d’oxyde stratifié à haute densité énergétique.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Donggun Eum, Sung-O Park, Ho-Young Jang, Youngjun Jeon, Jun-Hyuk Song, Sangwook Han, Kyoungoh Kim et Kisuk Kang, principalement des départements de science des matériaux et d’ingénierie, de l’Institut de recherche en batteries rechargeables, du Centre de recherche sur les nanoparticules de l’Institut de sciences fondamentales, de l’École d’ingénierie, de l’École de génie chimique et biologique de l’Université nationale de Séoul, en Corée du Sud. La recherche a été publiée en 2024 dans la revue “Nature Materials” avec le DOI https://doi.org/10.1038/s41563-024-01899-9.

Détails de la recherche

a) Processus expérimental

L’étude comprend plusieurs étapes importantes:

1. Conception du système modèle: Sélection d’un oxyde stratifié enrichi en lithium de type O2 comme système modèle pour analyser l’impact des RSFs sur la stabilité structurelle.
2. Calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT): Utilisation des calculs DFT pour étudier les changements structurels induits par les RSFs, notamment l’influence sur la migration des métaux de transition et la formation de dimères d’oxygène pendant le processus de charge.
3. Observations expérimentales: Utilisation de la microscopie électronique en transmission à balayage (STEM) et de l’analyse des phases géométriques (GPA) pour observer l’expression des RSFs dans la structure, ainsi que la formation et la propagation des fissures.

b) Résultats principaux

1. Détection des RSFs: Les expériences ont révélé, via la microscopie électronique, l’existence de nombreux RSFs dans diverses séquences d’empilement, et les calculs DFT ont validé ces défauts à différents angles.
2. Dégradation électrochimique induite par les RSFs: Les résultats des calculs DFT et des simulations de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) montrent que le glissement structurel dû aux RSFs accélère la dimérisation de l’oxygène et provoque la migration des métaux de transition, conduisant ainsi à la formation de micro-fissures.
3. Effets de l’élimination des défauts thermiques: Un traitement thermique par recuit à haute température permet de réduire partiellement les RSFs, ce qui atténue les micro-trajets internes, améliore la capacité de déformation mécanique du matériau et prolonge ainsi la durée de vie du cycle de la batterie.

c) Conclusion

L’étude conclut que les RSFs jouent un rôle crucial dans les oxydes stratifiés de lithium et de métaux de transition. Le traitement thermique permet de réduire significativement les RSFs et d’améliorer ainsi la stabilité électrochimique des matériaux cathodiques. Cette recherche offre une nouvelle direction pour la fabrication de cathodes stratifiées à haute énergie, aidant à résoudre les problèmes de déclin de tension et de capacité dans les cathodes enrichies en lithium.

d) Points forts de la recherche

1. Détection du rôle clé des RSFs: Proposition et validation que les RSFs sont l’un des principaux facteurs de dégradation électrochimique et mécanique des cathodes d’oxyde stratifié.
2. Stratégie d’élimination des défauts thermiques: Réduction efficace des RSFs par une méthode spécifique de traitement thermique, améliorant les performances mécaniques et électrochimiques du matériau.
3. Perspectives d’application intégrée: La stratégie de gestion des RSFs proposée est d’une importance significative non seulement pour la recherche sur les matériaux, mais aussi pour la conception pratique des batteries.

Signification de la recherche

Cette recherche révèle l’impact important des RSFs sur les matériaux cathodiques à haute densité énergétique stratifiés, mettant en évidence l’importance de gérer ce défaut. Cette découverte offre de nouvelles idées et méthodes pour la conception future de matériaux de batterie plus stables et plus efficaces. Des recherches supplémentaires pourraient découvrir des phénomènes similaires dans d’autres types de matériaux de cathodes stratifiées, élargissant ainsi le champ d’application de cette direction de recherche.

En approfondissant l’étude sur ce facteur clé qu’est le RSF et en proposant des stratégies de gestion des défauts efficaces, cet article a significativement amélioré les performances électrochimiques des matériaux cathodiques d’oxydes stratifiés de lithium et de métaux de transition, posant des bases solides pour le développement de futurs matériaux de batterie haute performance.