Matériaux à base du composé spinelle LiNo0.5 Mn1.5 O4 dopé au chrome pour le stockage et la conversion de l’énergie.

Abstract

Les Matériaux à base de LiNo0.5 Mn1.5 O4 ayant une structure spinelle sont très intéressants comme Matériaux d’électrode positive dans les batteries Li-ion. Les avantages que présente ce type de matériau sont : son potentiel de fonctionnement et sa cyclabilité qui sont élevés à température ambiante. Malheureusement, quand il est utilisé à 55°C, ce matériau présente une forte chute de capacité. Ceci limite fortement le champ de son utilisation pratique. Le dopage du LiNo0.5 Mn1.5 O4 par des ions permet l’amélioration de sa cyclabilité à haute température. Nous avons préparé le matériau LiCr2y Ni0.5-y Mn 1.5-y O4 (0<y≤0.2) en utilisant la méthode de combustion assistée par le saccharose. Deux séries de matériaux ont été obtenues grâce à une calcination à 700 et à 900°C pendant 1h. L’analyse des échantillons par DRX et par ATD-TG a permis de vérifier qu’ils sont purs, avec un paramètre de maille pratiquement similaire. L’homogénéité et la taille des particules des échantillons préparés ont été étudiés grâce aux microscopes : MEB et MET. L’augmentation de la température de préparation de 700 à 900°C induit une augmentation de la taille des particules de 50nm à 500nm. L’effet de l’augmentation de la quantité du dopant Cr et de la température de préparation sur les propriétés électrochimiques, a été étudié à 25 et à 55°C. Ils ont été effectués par un cyclage galvanostatique. La capacité en décharge (≈ 130mAhg⁻1) ne varie pas trop avec le changement des conditions de préparation ; par contre, les performances en cyclage changent fortement. On a effectué une étude profonde dans le but de déterminer les facteurs contrôlant le cyclage. Le résultat le plus important de cette étude est la bonne rétention de capacité à 55°C des échantillons préparés à 900°C avec y≤0.1, cette rétention est d’une valeur supérieures à 96% après 40cycles (une cyclabilité de plus de 99.9% par cycle). Un examen de l’influence de la taille des particules sur les propriétés électrochimiques (à 25 et à 55°C) du matériau de structure spinelle LiCr2y Ni0.5-y Mn 1.5-y O4 a été effectué. Les échantillons ont été préparés avec des différentes tailles des particules par une calcination de la poudre issue de la combustion à des températures allant de 700 à 1100°C. la taille des particules augmente ainsi de 50 à 3000nm. En dépit de la différence entre la taille des échantillons, la capacité en décharge libérée par l’ensemble des échantillons est similaire (Qdch ≈ 135mAhg⁻1). Toutefois, les performances en cyclage varient fortement avec la taille des particules. Les échantillons avec ɸ<500nm. Les échantillons préparés à 1000 et 1100°C ont un très bon cyclage avec une rétention de capacité de plus de 96% après 250 cycles. Lorsque la décharge est effectuée à haut débit de courant, les propriétés électrochimiques des échantillons avec une petite taille des particules sont meilleures que celles des échantillons avec une grande taille des particules. Le matériau LiCr0.2 Ni0.4 Mn1.4 O4 préparé à 900°C résiste le mieux, parmi les matériaux de cathode dérivant du spinelle LiNo0.5 Mn1.5 O4 aux hauts débits de courants en décharge, ayant une rétention de capacité de 92% à 60C ( décahrge en une minute). Il libère une puissance élevée (31000 Wkg⁻₁ à 60C). L’étude menée à 55°C, montre que le matériau LiCr0.2 Ni0.4 Mn1.4 O4 retient une énorme capacité aux hauts débits de décharge et une cyclabilité très élevées. Finalement, la cathode LiCr0.2 Ni0.4 Mn1.4 O4 a été testée avec une anode de formule Li4 Ti 5 O12 dans un prototype de batterie nommée ‘’Rocking chair ‘’. Ces batteries ont une très longue durée de vie cycle avec une capacité de rétention de plus de 96% ars 500 cycles. En résumé, le dopage avec l’ion Cr est une nouvelle approche pour préparer le matériau de cathode à base de LiCr0.2 Ni0.4 Mn1.4 O5 fonctionnant à 5V, ayant d’excellentes performances en cyclage à haute température. Le matériau de structure spinelle LiCr0.2 Ni0.4 Mn1.4 O4 est un matériau très intéressant comme cathode des batteries Li-ion fonctionnant à 5V pour des applications nécessitant des énergies et des puissances élevées.