Investigation of Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries by Thermodynamic Modelling

Exploration de matériaux de cathode pour les batteries lithium-ion par modélisation thermodynamique Les batteries lithium-ion utilisent généralement comme électrode positive les NMC, qui contiennent du nickel, du manganèse et du cobalt comme métaux de transition, dans le système chimique Li(Ni,Mn,Co)O₂—(Ni,Mn,Co)O₂. Dans la quête d'une capacité accrue et d'une technologie de l'énergie plus verte, des efforts importants sont entrepris pour réduire la teneur en cobalt tout en garantissant l'intégrité et les performances de la batterie. Notre objectif est de développer un modèle thermodynamique pour ce système en utilisant l'approche CALPHAD. Ce modèle nous permettra d'explorer les compositions NMC optimales qui soient à la fois performantes et stables.Pour ce faire, nous procédons à une analyse critique de la littérature afin de rassembler des données qui serviront à l'élaboration du modèle thermodynamique. Notre revue critique des données se concentre d'abord sur les trois sous-systèmes des NMC : LiCoO₂—CoO₂, LiNiO₂—NiO₂, et LiMnO₂—MnO₂, puis sur leurs combinaisons binaires et ternaires. Pour pallier le manque de données et améliorer la description thermodynamique des NMC, des calculs par la théorie de la densité fonctionnelle sont effectués pour calculer la capacité thermique et l'enthalpie de formation des trois end-members lithiés. Ces calculs sont comparés à nos mesures par calorimétrie de dissolution et DSC sur LiNiO₂. En outre, nous étudions la stabilité de la phase LiNiO₂ à l'aide de la diffraction des rayons X à haute température et nous mesurons la capacité thermique de NMC622 par DSC.Les nouvelles données expérimentales et de DFT obtenues sont ensuite utilisées pour construire le modèle thermodynamique qui constitue la première base de données CALPHAD complète sur le système chimique NMC. Le modèle reproduit fidèlement les propriétés des NMC, telles que la tension en circuit ouvert et l'enthalpie de formation, et constitue un bon outil pour cribler en composition les NMC et ainsi identifier les compositions prometteuses pour l'application des batteries.