Le spray drying comme méthode de synthèse versatile des matériaux de cathodes polyanioniques à base de phosphate pour batteries Na-ion et K-ion.

Le spray drying comme méthode de synthèse versatile des matériaux de cathodes polyanioniques à base de phosphate pour batteries Na-ion et K-ion.
Jérôme Bodart a*, Nicolas Eshraghi b, Bénédicte Vertuyen a, Frédéric Boschini a et Abdelfattah Mahmoud a
a GREEnMat Groupe de Recherche en Énergie et Environnement par les Matériaux , Université de Liège, allée du six Aout, 13, 4000 Liège Belgique
b Center for Low-Emission Transport, Battery Technologies, AIT Austrian Institute of Technology, Giefinggasse 2, 1210, Vienna (Austria)
* jerome.bodart@uliege.be
Dans le contexte des technologies de stockage d'énergie, développer de nouveaux matériaux à haute performance, à longue durée de vie tout en étant respectueux de l'environnement et abordables est devenu un défi majeur de notre époque. Pour réussir à relever ce défi, il est essentiel de trouver des méthodes efficaces d'optimisation des matériaux d'électrodes des batteries rechargeables. En effet, il a été démontré que la pureté des matériaux, la composition, la taille des particules, la cristallinité, l'agrégation et la porosité des particules sont des caractéristiques qui déterminent les performances électrochimiques des matériaux de la batterie. De plus, l'optimisation de la microstructure est un paramètre clé pour obtenir des matériaux performants. Ces paramètres sont liés aux méthodes et aux paramètres de synthèse permettant d’obtenir le matériau d'électrode. Par conséquent, il est essentiel de trouver une méthode de synthèse appropriée et d’optimiser les conditions de synthèse pour préparer le matériau d'électrode actif.
Le séchage par atomisation est une méthode simple qui permet contrôler les propriétés morphologiques des matériaux d'électrode. En plus de sa polyvalence, la méthode de séchage par atomisation présente les avantages d'être rentable, facilement évolutive et permet d'obtenir des poudres composites très homogènes 1. Cela en fait une méthode de choix pour préparer des poudres complexes (multi-composants) caractérisées par une grande homogénéité, et par de très bonnes propriétés électrochimiques.

La méthode de séchage par atomisation a été utilisée dans ce travail pour synthétiser différents composés polyanioniques comme matériaux actifs de cathodes pour les batteries Na/K-ion (tels que Na2FePO4F , K3Fe2(PO4)3 et K3V(PO4)2 ) et aussi pour améliorer leur conductivité électronique par addition de sources de carbone 2–5. La méthode de séchage par atomisation permet de faciliter la synthèse de matériaux polyanioniques en assurant une très bonne homogénéité des ions à l’échelle de la gouttelette. Cette méthode permet également la réalisation rapide et facile de composite avec différentes sources de carbone tels que les nanotubes de carbones ou l’oxyde de graphène. L'influence de la méthode de synthèse et de l'ajout de sources de carbone sur les propriétés structurales, morphologiques et électrochimiques des matériaux d'électrode a été rigoureusement analysée en combinant différentes techniques de caractérisation telles que : XRD, SEM et TEM, spectroscopie Mössbauer (pour les matériaux contenant du fer) , BET, Voltammétrie Cyclique, Cyclage Galvanostatique etc.

(1) Vertruyen, B.; Eshraghi, N.; Piffet, C.; Bodart, J.; Mahmoud, A.; Boschini, F. Spray-Drying of Electrode Materials for Lithium- and Sodium-Ion Batteries. Materials (Basel). 2018, 11 (7), 1076. https://doi.org/10.3390/ma11071076.
(2) Brisbois, M.; Krins, N.; Hermann, R. P.; Schrijnemakers, A.; Cloots, R.; Vertruyen, B.; Boschini, F. Spray-Drying Synthesis of Na2FePO4F/Carbon Powders for Lithium-Ion Batteries. Mater. Lett. 2014, 130, 263–266. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.05.121.
(3) Mahmoud, A.; Caes, S.; Brisbois, M.; Hermann, R. P.; Berardo, L.; Schrijnemakers, A.; Malherbe, C.; Eppe, G.; Cloots, R.; Vertruyen, B.; Boschini, F. Spray-Drying as a Tool to Disperse Conductive Carbon inside Na2FePO4F Particles by Addition of Carbon Black or Carbon Nanotubes to the Precursor Solution. J. Solid State Electrochem. 2018, 22 (1), 103–112. https://doi.org/10.1007/s10008-017-3717-x.
(4) Brisbois, M.; Caes, S.; Sougrati, M. T.; Vertruyen, B.; Schrijnemakers, A.; Cloots, R.; Eshraghi, N.; Hermann, R. P.; Mahmoud, A.; Boschini, F. Na2FePO4F/Multi-Walled Carbon Nanotubes for Lithium-Ion Batteries: Operando Mössbauer Study of Spray-Dried Composites. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2016, 148, 67–72. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.09.005.
(5) Bodart, J.; Eshraghi, N.; Carabin, T.; Vertruyen, B.; Cloots, R.; Boschini, F.; Mahmoud, A. Spray-Dried K3V(PO4)2/C Composites as Novel Cathode Materials for K-Ion Batteries with Superior Electrochemical Performance. J. Power Sources 2020, 480 (June). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.229057.