Les chimistes règlent le débat sur la batterie et font avancer la recherche – Technoguide

Une équipe de chercheurs dirigée par des chimistes du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) a identifié de nouveaux détails sur le mécanisme de réaction qui se déroule dans les batteries avec des anodes au lithium métal. Les résultats, publiés aujourd’hui dans Nature Nanotechnology, sont une étape majeure vers le développement de batteries plus petites, plus légères et moins chères pour les véhicules électriques.

Recréer des anodes au lithium métal

Les batteries lithium-ion conventionnelles peuvent être trouvées dans une variété d’électronique, des smartphones aux véhicules électriques. Bien que les batteries lithium-ion aient permis l’utilisation généralisée de nombreuses technologies, elles sont toujours confrontées à des défis pour alimenter des véhicules électriques sur de longues distances.

Pour construire une batterie mieux adaptée aux véhicules électriques, des chercheurs de plusieurs laboratoires nationaux et des universités parrainées par le DOE ont formé un consortium appelé Battery500, dirigé par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE. Leur objectif est de fabriquer des cellules de batterie avec une densité d’énergie de 500 wattheures par kilogramme, soit plus du double de la densité d’énergie des batteries à la pointe de la technologie d’aujourd’hui. Pour ce faire, le consortium se concentre sur les batteries fabriquées avec des anodes au lithium métal.

Par rapport aux batteries lithium-ion, qui utilisent le plus souvent du graphite comme anode, les batteries au lithium métal utilisent du lithium métal comme anode.

«Les anodes au lithium métal sont l’un des composants clés pour atteindre la densité d’énergie recherchée par Battery500», a déclaré le chimiste de Brookhaven Enyuan Hu, auteur principal de l’étude. “Leur avantage est double. Premièrement, leur capacité spécifique est très élevée; deuxièmement, ils fournissent une batterie de tension un peu plus élevée. La combinaison conduit à une plus grande densité d’énergie.”

Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps les avantages des anodes au lithium métal; en fait, ils ont été la première anode à être couplée à une cathode. Mais en raison de leur manque de «réversibilité», de la capacité d’être rechargés par une réaction électrochimique réversible, la communauté des batteries a finalement remplacé les anodes au lithium métal par des anodes en graphite, créant des batteries lithium-ion.

Aujourd’hui, avec des décennies de progrès, les chercheurs sont convaincus qu’ils peuvent rendre les anodes au lithium métal réversibles, dépassant les limites des batteries lithium-ion. La clé est l’interphase, une couche de matériau solide qui se forme sur l’électrode de la batterie pendant la réaction électrochimique.

«Si nous sommes capables de comprendre pleinement l’interphase, nous pouvons fournir des conseils importants sur la conception des matériaux et rendre les anodes au lithium métal réversibles», a déclaré Hu. “Mais comprendre l’interphase est tout un défi car il s’agit d’une couche très fine d’une épaisseur de seulement quelques nanomètres. Elle est également très sensible à l’air et à l’humidité, ce qui rend la manipulation des échantillons très délicate.”

Visualisation de l’interphase au NSLS-II

Pour relever ces défis et «voir» la composition chimique et la structure de l’interphase, les chercheurs se sont tournés vers la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven qui génère des rayons X ultra-lumineux pour étudier propriétés des matériaux à l’échelle atomique.

“Le flux élevé de NSLS-II nous permet de regarder une très petite quantité de l’échantillon tout en générant des données de très haute qualité”, a déclaré Hu.

Au-delà des capacités avancées de NSLS-II dans son ensemble, l’équipe de recherche avait besoin d’utiliser une ligne de lumière (station expérimentale) capable de sonder tous les composants de l’interphase, y compris les phases cristalline et amorphe, à haute énergie (courte longueur d’onde) x -des rayons. Cette ligne de lumière était la ligne de lumière de diffraction des rayons X sur poudre (XPD).

«L’équipe de chimie a profité d’une approche multimodale chez XPD, en utilisant deux techniques différentes offertes par l’analyse de la ligne de lumière, la diffraction des rayons X (XRD) et la fonction de distribution de paires (PDF)», a déclaré Sanjit Ghose, scientifique principal de la ligne de lumière chez XPD. “XRD peut étudier la phase cristalline, tandis que PDF peut étudier la phase amorphe.”

Les analyses XRD et PDF ont révélé des résultats passionnants: l’existence d’hydrure de lithium (LiH) dans l’interphase. Pendant des décennies, les scientifiques avaient débattu de l’existence de LiH dans l’interphase, laissant une incertitude autour du mécanisme de réaction fondamental qui forme l’interphase.

«Lorsque nous avons vu pour la première fois l’existence de LiH, nous étions très enthousiastes car c’était la première fois que LiH existait dans l’interphase en utilisant des techniques avec une fiabilité statistique. Mais nous étions également prudents car les gens en doutaient depuis longtemps. », A déclaré Hu.

Le co-auteur Xiao-Qing Yang, physicien de la division de chimie de Brookhaven, a ajouté: «LiH et le fluorure de lithium (LiF) ont des structures cristallines très similaires.

Compte tenu de la controverse autour de cette recherche, ainsi que des défis techniques qui différencient LiH de LiF, l’équipe de recherche a décidé de fournir plusieurs sources de preuves de l’existence de LiH, y compris une expérience d’exposition à l’air.

“LiF est stable dans l’air, tandis que LiH ne l’est pas”, a déclaré Yang. «Si nous exposions l’interphase à l’air avec de l’humidité, et si la quantité de composé sondé diminuait avec le temps, cela confirmerait que nous avons vu LiH, pas LiF. Et c’est exactement ce qui s’est passé. Parce que LiH et LiF sont difficiles à différencier et l’expérience d’exposition à l’air n’avait jamais été réalisée auparavant, il est très probable que LiH ait été mal identifié comme LiF, ou non observé en raison de la réaction de décomposition de LiH avec l’humidité, dans de nombreux rapports de la littérature. “

Yang a poursuivi: “La préparation des échantillons effectuée au PNNL a été essentielle pour ce travail. Nous pensons également que de nombreuses personnes n’ont pas pu identifier LiH parce que leurs échantillons avaient été exposés à l’humidité avant l’expérimentation. Si vous ne collectez pas l’échantillon, scellez-le, et transportez-le correctement, vous manquez. “

En plus d’identifier la présence de LiH, l’équipe a également résolu un autre casse-tête de longue date centré sur LiF. LiF a été considéré comme un composant privilégié dans l’interphase, mais on n’a pas entièrement compris pourquoi. L’équipe a identifié des différences structurelles entre le LiF dans l’interphase et le LiF dans la masse, le premier facilitant le transport des ions lithium entre l’anode et la cathode.

«De la préparation des échantillons à l’analyse des données, nous avons étroitement collaboré avec le PNNL, le laboratoire de recherche de l’armée américaine et l’Université du Maryland», a déclaré le chimiste de Brookhaven Zulipiya Shadike, premier auteur de l’étude. «En tant que jeune scientifique, j’ai beaucoup appris sur la conduite d’une expérience et la communication avec d’autres équipes, surtout parce que c’est un sujet très difficile.

Hu a ajouté: “Ce travail a été rendu possible en combinant les ambitions de jeunes scientifiques, la sagesse des scientifiques chevronnés, et la patience et la résilience de l’équipe.”

Au-delà du travail d’équipe entre les institutions, le travail d’équipe entre la division de chimie du Brookhaven Lab et NSLS-II continue de générer de nouveaux résultats et capacités de recherche.

«Le groupe de batteries de la division de chimie travaille sur une variété de problèmes dans le domaine des batteries. Ils travaillent avec des cathodes, des anodes et des électrolytes, et ils continuent à apporter à XPD de nouveaux problèmes à résoudre et des échantillons difficiles à étudier», a déclaré Ghose. «C’est passionnant de faire partie de, mais cela m’aide également à développer une méthodologie que d’autres chercheurs pourront utiliser sur ma ligne de lumière. Actuellement, nous développons la capacité d’exécuter des expériences in situ et operando, afin que les chercheurs puissent scanner toute la batterie avec une résolution spatiale plus élevée. comme une batterie tourne. “

Les scientifiques continuent de collaborer à la recherche sur les batteries dans les départements du Brookhaven Lab, d’autres laboratoires nationaux et des universités. Ils disent que les résultats de cette étude fourniront des conseils pratiques indispensables sur les anodes au lithium métal, propulsant la recherche sur ce matériau prometteur vers l’avant.

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