Des scientifiques sondent la chimie d’une seule particule d’électrode de batterie à la fois à l’intérieur et à l’extérieur – Technoguide

Les particules qui composent les électrodes de batterie lithium-ion sont microscopiques mais puissantes: elles déterminent la quantité de charge que la batterie peut stocker, la vitesse à laquelle elle se charge et se décharge et comment elle résiste au fil du temps – tous cruciaux pour des performances élevées dans un véhicule électrique ou appareil électronique.

Les fissures et les réactions chimiques à la surface d’une particule peuvent dégrader les performances, et la capacité de la particule entière à absorber et à libérer des ions lithium change également avec le temps. Les scientifiques ont étudié les deux, mais jusqu’à présent, ils n’avaient jamais regardé à la fois la surface et l’intérieur d’une particule individuelle pour voir comment ce qui se passe dans l’une affecte l’autre.

Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche dirigée par Yijin Liu du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie a fait cela. Ils ont collé une seule particule de cathode de batterie, de la taille d’un globule rouge, sur une pointe d’aiguille et ont sondé sa surface et son intérieur en 3D avec deux instruments à rayons X. Ils ont découvert que la fissuration et les changements chimiques à la surface de la particule variaient beaucoup d’un endroit à l’autre et correspondaient à des zones de fissuration microscopique profondément à l’intérieur de la particule qui sapaient sa capacité à stocker de l’énergie.

“Nos résultats montrent que la surface et l’intérieur d’une particule se parlent, fondamentalement”, a déclaré Yijin Liu, scientifique principal du SLAC, qui a dirigé l’étude à la source de rayonnement synchrotron (SSRL) de Stanford. “Comprendre cette conversation chimique nous aidera à concevoir la particule entière afin que la batterie puisse fonctionner plus rapidement, par exemple.”

Les scientifiques décrivent leurs découvertes dans Nature Communications aujourd’hui.

Dommages à l’intérieur et à l’extérieur

Une batterie lithium-ion stocke et libère de l’énergie en déplaçant des ions lithium à travers un électrolyte dans les deux sens entre deux électrodes, l’anode et la cathode. Lorsque vous chargez la batterie, les ions lithium se précipitent dans l’anode pour le stockage. Lorsque vous utilisez la batterie, les ions quittent l’anode et s’écoulent dans la cathode, où ils génèrent un flux de courant électrique.

Chaque électrode est constituée de nombreuses particules microscopiques et chaque particule contient des grains encore plus petits. Leur structure et leur chimie sont essentielles aux performances de la batterie. Au fur et à mesure que la batterie se charge et se décharge, les ions lithium s’infiltrent dans et hors des espaces entre les atomes des particules, les faisant gonfler et rétrécir. Au fil du temps, cela peut se fissurer et casser les particules, réduisant leur capacité à absorber et à libérer des ions. Les particules réagissent également avec l’électrolyte environnant pour former une couche de surface qui gêne l’entrée et la sortie des ions. Au fur et à mesure que les fissures se développent, l’électrolyte pénètre plus profondément pour endommager l’intérieur.

Cette étude s’est concentrée sur les particules fabriquées à partir d’un oxyde en couches riche en nickel, qui peut théoriquement stocker plus de charge que les matériaux de batterie actuels. Il contient également moins de cobalt, ce qui le rend moins cher et moins problématique sur le plan éthique, car certaines mines de cobalt impliquent des conditions inhumaines, a déclaré Liu.

Il n’y a qu’un seul problème: la capacité des particules à stocker la charge s’estompe rapidement lors de plusieurs cycles de charge haute tension – le type utilisé pour charger rapidement les véhicules électriques.

“Vous avez des millions de particules dans une électrode. Chacune est comme une boule de riz avec de nombreux grains”, a déclaré Liu. «Ce sont les éléments constitutifs de la batterie, et chacun est unique, tout comme chaque personne a des caractéristiques différentes.

Apprivoiser un matériau de nouvelle génération

Liu a déclaré que les scientifiques travaillaient sur deux approches de base pour minimiser les dommages et augmenter les performances des particules: mettre un revêtement protecteur sur la surface et tasser les grains ensemble de différentes manières pour modifier la structure interne. “L’une ou l’autre approche pourrait être efficace”, a déclaré Liu, “mais les combiner serait encore plus efficace, et c’est pourquoi nous devons aborder la situation dans son ensemble.”

Shaofeng Li, un étudiant diplômé invité à SSRL qui rejoindra le SLAC en tant que chercheur postdoctoral, a mené des expériences de rayons X qui ont examiné une seule particule de cathode montée sur une aiguille à partir d’une batterie chargée avec deux instruments – l’un balayant la surface, l’autre sondant l’intérieur. Sur la base des résultats, des théoriciens dirigés par Kejie Zhao, professeur agrégé à l’Université Purdue, ont développé un modèle informatique montrant comment la charge aurait endommagé la particule sur une période de 12 minutes et comment ce modèle de dommages reflète les interactions entre la surface et l’intérieur.

“L’image que nous obtenons est qu’il y a des variations partout dans la particule”, a déclaré Liu. “Par exemple, certaines zones de la surface se dégradent plus que d’autres, et cela affecte la façon dont l’intérieur répond, ce qui à son tour fait dégrader la surface d’une manière différente.”

Maintenant, a-t-il dit, l’équipe prévoit d’appliquer cette technique à d’autres matériaux d’électrodes qu’elle a étudiés dans le passé, en accordant une attention particulière à la façon dont la vitesse de charge affecte les modèles de dommages. “Vous voulez pouvoir recharger votre voiture électrique en 10 minutes plutôt qu’en plusieurs heures”, a-t-il dit, “c’est donc une direction importante pour les études de suivi.”

.

Lire plus

A propos Technoguide

Voir aussi

Les magasins numériques PS3 et PS Vita restent ouverts, Jim Ryan admet avoir pris une «mauvaise décision»

Plus tôt ce printemps, la rumeur a ensuite été confirmée par Sony que les magasins …

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Défiler vers le haut