Au cours des trois dernières décennies, batteries lithium-ion, des batteries rechargeables qui déplacent les ions lithium d'avant en arrière pour se charger et se décharger, ont permis à des appareils plus petits qui se remplissent plus rapidement et durent plus longtemps.

Maintenant, Des expériences aux rayons X menées au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et au Lawrence Berkeley National Laboratory ont révélé que les voies empruntées par les ions lithium à travers un matériau de batterie commun sont plus complexes qu'on ne le pensait auparavant. Les résultats corrigent plus de deux décennies d'hypothèses sur le matériau et aideront à améliorer la conception de la batterie, potentiellement conduire à une nouvelle génération de batteries lithium-ion.

Une équipe internationale de chercheurs, dirigé par William Chueh, chercheur au Stanford Institute for Materials &Energy Sciences du SLAC et professeur de science des matériaux à Stanford, a publié ces résultats aujourd'hui dans Matériaux naturels .

"Avant, c'était un peu comme une boîte noire, " dit Martin Bazant, un professeur au Massachusetts Institute of Technology et un autre chef de file de l'étude. "Vous pouviez voir que le matériau fonctionnait plutôt bien et certains additifs semblaient aider, mais vous ne pouvez pas dire exactement où vont les ions lithium à chaque étape du processus. Vous pourriez seulement essayer de développer une théorie et travailler à rebours à partir de mesures. Avec de nouveaux instruments et techniques de mesure, nous commençons à avoir une compréhension scientifique plus rigoureuse de la façon dont ces choses fonctionnent réellement. »

L'« effet pop-corn »

Quiconque est monté dans un bus électrique, travaillé avec un outil électrique ou utilisé un aspirateur sans fil a probablement récolté les avantages du matériau de batterie qu'ils ont étudié, phosphate de fer et de lithium. Il peut également être utilisé pour la fonction start-stop dans les voitures à moteur à combustion interne et le stockage de l'énergie éolienne et solaire dans les réseaux électriques. Une meilleure compréhension de ce matériau et d'autres similaires pourrait conduire à une charge plus rapide, batteries plus durables et plus durables. Mais jusqu'à récemment, les chercheurs ne pouvaient que deviner les mécanismes qui lui permettent de fonctionner.

Lorsque les batteries lithium-ion se chargent et se déchargent, les ions lithium s'écoulent d'une solution liquide dans un réservoir solide. Mais une fois dans le solide, le lithium peut se réarranger, provoquant parfois la scission du matériau en deux phases distinctes, autant que l'huile et l'eau se séparent lorsqu'elles sont mélangées. Cela provoque ce que Chueh appelle un « effet pop-corn ». Les ions s'agglutinent en points chauds qui finissent par raccourcir la durée de vie de la batterie.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé deux techniques de rayons X pour explorer le fonctionnement interne des batteries lithium-ion. À la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC, ils ont fait rebondir des rayons X sur un échantillon de phosphate de fer et de lithium pour révéler sa structure atomique et électronique, leur donnant une idée de la façon dont les ions lithium se déplaçaient dans le matériau. À la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab, ils ont utilisé la microscopie à rayons X pour agrandir le processus, leur permettant de cartographier l'évolution de la concentration de lithium au fil du temps.

Nager en amont

Précédemment, les chercheurs pensaient que le phosphate de fer et de lithium était un conducteur unidimensionnel, ce qui signifie que les ions lithium ne peuvent voyager que dans une direction à travers la masse du matériau, comme le saumon nageant en amont.

Mais en passant au crible leurs données, les chercheurs ont remarqué que le lithium se déplaçait dans une direction complètement différente à la surface du matériau que ce à quoi on pourrait s'attendre sur la base des modèles précédents. C'était comme si quelqu'un avait jeté une feuille à la surface du ruisseau et découvert que l'eau coulait dans une direction complètement différente de celle du saumon nageant.

Ils ont travaillé avec Saiful Islam, professeur de chimie à l'Université de Bath, ROYAUME-UNI, développer des modèles informatiques et des simulations du système. Ceux-ci ont révélé que les ions lithium se déplaçaient dans deux directions supplémentaires à la surface du matériau, faisant du phosphate de fer et de lithium un conducteur tridimensionnel.

"Comme il s'avère, ces cheminements supplémentaires sont problématiques pour le matériau, promouvoir le comportement de type pop-corn qui conduit à son échec, " dit Chueh. " Si le lithium peut être amené à se déplacer plus lentement à la surface, cela rendra la batterie beaucoup plus uniforme. C'est la clé pour développer des batteries plus performantes et plus durables."

Une nouvelle frontière dans l'ingénierie des batteries

Même si le phosphate de fer et de lithium existe depuis les deux dernières décennies, la capacité de l'étudier à l'échelle nanométrique et pendant le fonctionnement de la batterie n'était pas possible jusqu'à il y a quelques années.

"Cela explique comment une propriété aussi cruciale du matériau est passée inaperçue pendant si longtemps, " dit Yiyang Li, qui a dirigé le travail expérimental en tant qu'étudiant diplômé et boursier postdoctoral à Stanford et au SLAC. "Avec les nouvelles technologies, il y a toujours des propriétés nouvelles et intéressantes à découvrir sur les matériaux qui vous font penser à eux un peu différemment."

Cet ouvrage est l'un des premiers papiers issu d'une collaboration entre Bazant, Chueh et plusieurs autres scientifiques dans le cadre d'un centre de recherche financé par le Toyota Research Institute qui utilise la théorie et l'apprentissage automatique pour concevoir et interpréter des expériences avancées.

Ces découvertes les plus récentes, Bazant a dit, créer une histoire plus complexe que les théoriciens et les ingénieurs devront prendre en compte dans leurs travaux futurs.

"Cela renforce l'argument selon lequel l'ingénierie des surfaces des batteries lithium-ion est vraiment la nouvelle frontière, " at-il dit. "Nous avons déjà découvert et développé certains des meilleurs matériaux en vrac. Et nous avons vu que les batteries lithium-ion progressent toujours à un rythme assez remarquable :elles ne cessent de s'améliorer. Cette recherche permet l'avancement constant d'une technologie éprouvée qui fonctionne réellement. Nous nous appuyons sur des connaissances importantes qui peuvent être ajoutées à la boîte à outils des ingénieurs en batteries alors qu'ils essaient de développer de meilleurs matériaux. »

Couvrant différentes échelles

Pour faire suite à cette étude, les chercheurs continueront à combiner modélisation, simulation et expériences pour essayer de comprendre les questions fondamentales sur les performances de la batterie à de nombreuses échelles de durée et de temps différentes avec des installations telles que la source de lumière cohérente Linac du SLAC, ou LCLS, où les chercheurs pourront sonder des sauts ioniques uniques qui se produisent à des échelles de temps aussi rapides qu'un milliardième de seconde.

"L'un des obstacles au développement des technologies de batteries lithium-ion est l'énorme étendue de longueur et d'échelle de temps impliquée, " Chueh a déclaré. "Les processus clés peuvent se produire en une fraction de seconde ou sur plusieurs années. La voie à suivre nécessite de cartographier ces processus sur des longueurs allant de mètres jusqu'au mouvement des atomes. Au SLAC, nous étudions les matériaux des batteries à toutes ces échelles. Combiner cela avec la modélisation et l'expérimentation est vraiment ce qui a rendu cette compréhension possible."