Résumé
Dans le cours précédent, nous avons pu discuter de l’émergence des oxydes lamellaires LiCo(Ni)O2 comme composés d’insertion pour batteries à ions Li, ainsi que de leur évolution majeure au fil des années. Ces avancées, obtenues via des substitutions chimiques, permirent l’amélioration de leurs performances électrochimiques tout en abaissant leur taux en Co pour des raisons géopolitiques et éthiques. Les oxydes utilisés à ce jour sont soit des phases Li(NixCoyAl1-x-y)O2 dites « NCA », qui résultent de la substitution partielle du Co et du Ni par Al, soit des phases de formule Li(NixMnyCo1-x-y)O2 dénommées « NMC », et dont la phase 622 (60 % de Ni, 20 % de Mn, et 20 % de Co) est une référence industrielle dans le monde des batteries. Nous avons montré la science sous-jacente à ces différentes substitutions en soulignant les considérations structurales et chimiques ayant conduit au choix d’éléments bien spécifiques. En raison de la problématique du Co, les recherches actuelles se tournent vers des phases riches en Ni dont l’aspect sécuritaire reste à améliorer. Pour adresser cet aspect, les études actuelles se focalisent sur le dopage de ces composés, mais aussi sur la modification de leur morphologie via le design de particules cœur-couronne ou à gradient de concentration. Nous avons noté que les électrodes NMC sont utilisées dans la plupart des véhicules car elles offrent le meilleur compromis possible entre coût, densité énergétique, et sécurité. Quant aux électrodes NCA, elles ont une meilleure densité énergétique. Toutefois, elles demandent une gestion en température plus fine car elles se dégradent à partir d’une température plus faible que les cathodes NMC.
Outre l’autonomie, l’éco-compatibilité d’une batterie revêt une importance capitale pour des raisons sociétales et planétaires justifiant ainsi le développement des batteries Na-ion. L’inventaire des oxydes lamellaires à base de Na sera donc effectué en précisant les différences essentielles avec leurs homologues au Li. Elles présentent une cristallochimie riche et peuvent exister sous différentes structures selon que le Na occupe des sites octaédriques (structures de type O) ou trigonal-prismatiques (structures de type P). Afin d’établir des lignes directrices dans le design de structure de type O ou P, les diagrammes d’iconicité ainsi que des diagrammes de potentiel cationique seront présentés. Ce cours sera clôturé par une description de la chimie incrémentale ayant conduit à l’optimisation des phases O3, aujourd’hui les plus convoitées pour la prochaine génération de batteries à ions Na.
