Nouvelle méthode d'analyse rapide pour déterminer la capacité de charge du LiFePO₄

Avec l'augmentation de la consommation d'énergie, il faut mettre de l'avant tout type d'énergie renouvelable. Cependant, la grande majorité de l'énergie consommée provient des combustibles fossiles, créant une grande quantité de gaz à effet de serre. Les systèmes de stockage permettent d'emmagasiner de l'énergie renouvelable et de pouvoir l'utiliser à bon escient. Plusieurs systèmes ont été développés pour cette fin et l'un d'eux est l'accumulateur (batterie) au lithium. Les accumulateurs lithium-ion sont très présents dans la vie quotidienne, notamment utilisés pour les ordinateurs portables, les téléphones cellulaires, les caméras numériques et les voitures hybrides ou électriques. Les accumulateurs lithium-ion présentent plusieurs avantages incluant une densité d'énergie élevée et une grande sécurité favorisant son utilisation dans les appareils portatifs. Beaucoup de recherches sont effectuées concernant la technologie lithium-ion, dont les matériaux de cathode. De ce lot, le phosphate de fer lithié (LiFePO4) a attiré l'attention de la communauté scientifique et est considéré comme étant l'un des matériaux de la prochaine génération des batteries lithium-ion. Le coût abordable lié à ce composé combiné à la présence abondante de fer contribue à son essor. Le potentiel standard du LiFePO4, ~3,4 V vs. Li/Li+, est plus faible que les matériaux conventionnels comme l'oxyde de cobalt, LiCoO2, mais la présence du fer et la forte liaison phosphate-oxygène sont des facteurs permettant d'accroître les propriétés de sécurité. La particularité de ce composé est la présence de deux phases solides (olivine et hétérosite) lors d'une charge/décharge d'une batterie au lithium. Pour étudier les performances électrochimiques, la méthode utilisée au niveau industriel demeure le cyclage des batteries en mode galvanostatique. Ceci permet d'obtenir la capacité, le nombre d'ampères par gramme de produit par unité de temps. Cependant, le LiFePO4 comporte des limitations autant pour la diffusion des ions de lithium dans sa structure que du transport de charge pour la réaction. Il est nécessaire d'ajouter un matériau conducteur, par exemple du carbone, pour s'assurer de la conductivité électronique lors de la préparation d'une électrode composite. La diminution de la taille des particules améliore la conductivité ionique en diminuant la distance à parcourir lors de la diffusion de Li+ dans la structure. Les performances électrochimiques du matériau actif dépendent aussi de la composition et de la structure de l'électrode composite de la batterie électrochimique. Dans le cadre de ce projet, une nouvelle méthode analytique a été développée pour déterminer la capacité de charge du composé LiFePO4, à la demande de l'industrie. Cette méthode nécessite l'utilisation d'un système électrochimique à trois électrodes d'électrolyse totale. L'oxydation de l'olivine LiFePO4 vers la phase hétérosite FePO4 s'effectue dans une solution organique (carbonate de propylène et LiPF6) avec la présence d'un médiateur redox, le 10-méthylphénothiazine (MPT). Le médiateur redox qui a été préalablement oxydé, possède un potentiel pouvant oxyder les particules de LiFePO4 en suspension et assure le transport de charge à l'électrode de travail. La quantité de charges injectée dans la solution est directement liée à la capacité de charge du matériau. Cette méthode permet donc l'analyse rapide pour obtenir la capacité de charge du LiFePO4, et pouvant être utilisée de façon routinière dans le milieu de l'industrie. Pour démontrer l'efficacité et la stabilité de la cellule électrochimique, une série d'analyses ont été effectuées, prouvant la reproductibilité de la méthode avec un écart-type relatif de 6.8%. Avec le même système électrochimique, au moins dix analyses d'un même échantillon peuvent être évaluées, sans observer une diminution de l'efficacité du signal. La versatilité de la technique a été démontrée par un emploi de divers échantillons. Les échantillons utilisés possèdent des valeurs de capacités différentes, des tailles de particule variées et avec/sans revêtement de carbone. Tous ces échantillons ont pu être analysés par cette méthode, ce qui n'est pas le cas pour la méthode standard employant les batteries électrochimiques. L'aptitude de cette technique à pouvoir être utilisée pour des particules sans revêtement de carbone est très avantageuse pour les analyses en industries. Les nanoparticules peuvent aussi être analysées par cette méthode, ce qui est difficile lors d'une préparation d'une électrode composite. Il faut souvent rajouter du carbone pour s'assurer de la connectivité entre les particules. Les valeurs émanant de la méthode développée ont été comparées avec la technique conventionnelle utilisée autant en industrie qu'en recherche, soit le cyclage galvanostatique de batteries au lithium. Les résultats obtenus par la méthode utilisant un médiateur redox démontrent une valeur de capacité supérieure à ceux observés par les batteries électrochimiques. Cela concorde avec les attentes, puisque le médiateur redox en solution recouvre et réagit complètement avec les particules de LiFePO4 et permet la délithiation complète, ce qui n'est pas observé pour les batteries où la capacité dépend de la structure et de la composition de l'électrode. La caractérisation effectuée par diffraction des rayons X et spectroscopie infrarouge à réflexion totale atténuée sur la poudre récoltée à la fin de l'électrolyse a été effectuée et démontre seulement la présence de la phase hétérosite à la fin de l'électrolyse, confirmant l'oxydation complète du produit de départ. \n______________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Batterie lithium-ion, Cathode, LiFePO4, 10-méthylphénothiazine, Électrolyse totale, Capacité de charge

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