Une équipe de chercheurs dirigée par des chimistes du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a étudié une propriété insaisissable dans les matériaux cathodiques, appelé gradient de valence, pour comprendre son effet sur les performances de la batterie. Les résultats, Publié dans Communication Nature , ont démontré que le gradient de valence peut servir de nouvelle approche pour stabiliser la structure des cathodes à haute teneur en nickel contre les problèmes de dégradation et de sécurité.

Les cathodes à haute teneur en nickel ont attiré l'attention des scientifiques pour leur grande capacité, une propriété chimique qui pourrait alimenter les véhicules électriques sur des distances beaucoup plus longues que les batteries actuelles ne supportent. Malheureusement, la teneur élevée en nickel entraîne également une dégradation plus rapide de ces matériaux cathodiques, créant des fissures et des problèmes de stabilité lors du cycle de la batterie.

A la recherche de solutions à ces problèmes structurels, les scientifiques ont synthétisé des matériaux fabriqués avec un gradient de concentration en nickel, dans laquelle la concentration en nickel évolue progressivement de la surface du matériau vers son centre, ou le gros. Ces matériaux ont montré une stabilité considérablement améliorée, mais les scientifiques n'ont pas été en mesure de déterminer si le gradient de concentration était à lui seul responsable des améliorations. Le gradient de concentration est traditionnellement indissociable d'un autre effet appelé gradient de valence, ou un changement progressif de l'état d'oxydation du nickel de la surface du matériau à la masse.

Dans la nouvelle étude menée par Brookhaven Lab, les chimistes du laboratoire national d'Argonne du DOE ont synthétisé un matériau unique qui a isolé le gradient de valence du gradient de concentration.

"Nous avons utilisé un matériau tout à fait unique qui comprenait un gradient de valence de nickel sans gradient de concentration de nickel, " a déclaré Ruoqian Lin, chimiste de Brookhaven, premier auteur de l'étude. "La concentration des trois métaux de transition dans le matériau de la cathode était la même de la surface à la masse, mais l'état d'oxydation du nickel a changé. Nous avons obtenu ces propriétés en contrôlant l'atmosphère du matériau et le temps de calcination lors de la synthèse. Avec un temps de calcination suffisant, la force de liaison plus forte entre le manganèse et l'oxygène favorise le mouvement de l'oxygène dans le cœur du matériau tout en maintenant un état d'oxydation Ni2+ pour le nickel en surface, formant le gradient de valence."

Une fois que les chimistes ont réussi à synthétiser un matériau avec un gradient de valence isolé, les chercheurs de Brookhaven ont ensuite étudié ses performances à l'aide de deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science au Brookhaven Lab :la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) et le Center for Functional Nanomaterials (CFN).

Au NSLS-II, une source lumineuse à rayons X ultra-brillante, l'équipe a tiré parti de deux stations expérimentales de pointe, la ligne de lumière HXN (Hard X-ray Nanoprobe) et la ligne de lumière Full Field X-ray Imaging (FXI). En combinant les capacités des deux lignes de lumière, les chercheurs ont pu visualiser la structure à l'échelle atomique et la composition chimique de leur échantillon en 3D après que la batterie ait fonctionné sur plusieurs cycles.

"Les deux lignes de lumière ont des capacités de pointe. Vous ne pouvez faire cette recherche nulle part ailleurs, " dit Yong Chu, responsable du programme d'imagerie et de microscopie au NSLS-II et scientifique en chef des lignes de lumière au HXN. « FXI est la ligne de lumière nanométrique la plus rapide au monde ; elle est environ dix fois plus rapide que tout autre concurrent. HXN est beaucoup plus lent, mais c'est beaucoup plus sensible - c'est la ligne de lumière d'imagerie à rayons X la plus haute résolution au monde. »

Xiaojing Huang, scientifique de la ligne de lumière HXN, a ajouté :"Chez HXN, nous effectuons systématiquement des mesures en mode multimodalité, ce qui signifie que nous collectons plusieurs signaux simultanément. Dans cette étude, nous avons utilisé un signal de fluorescence et un signal de phytographie pour reconstruire un modèle 3D de l'échantillon à l'échelle nanométrique. Le canal de fluorescence a fourni la distribution élémentaire, confirmant la composition et l'uniformité de l'échantillon. Le canal de phytographie a fourni des informations structurelles à haute résolution, révélant des microfissures dans l'échantillon."

Pendant ce temps chez FXI, "la ligne de lumière a montré comment le gradient de valence existait dans ce matériau. Et parce que nous avons réalisé une imagerie plein format à un taux d'acquisition de données très élevé, nous avons pu étudier de nombreuses régions et augmenter la fiabilité statistique de l'étude, " dit Lin.

À l'installation de microscopie électronique du CFN, les chercheurs ont utilisé un microscope électronique à transmission (MET) avancé pour visualiser l'échantillon avec une résolution ultra-élevée. Par rapport aux études aux rayons X, le MET ne peut sonder qu'une zone beaucoup plus petite de l'échantillon et est donc moins fiable statistiquement sur l'ensemble de l'échantillon, mais à son tour, les données sont beaucoup plus détaillées et visuellement intuitives.

En combinant les données collectées dans toutes les différentes installations, les chercheurs ont pu confirmer que le gradient de valence jouait un rôle essentiel dans les performances de la batterie. Le gradient de valence « cachait » les régions de nickel plus capacitives mais moins stables au centre du matériau, exposer uniquement le nickel structurellement plus sain à la surface. Cette disposition importante a supprimé la formation de fissures.

Les chercheurs affirment que ce travail met en évidence l'impact positif que les matériaux à gradient de concentration peuvent avoir sur les performances de la batterie tout en offrant un nouveau, approche complémentaire pour stabiliser les matériaux cathodiques à haute teneur en nickel à travers le gradient de valence.

"Ces résultats nous donnent des orientations très importantes pour la future synthèse de nouveaux matériaux et la conception de matériaux cathodiques, que nous appliquerons dans nos études à l'avenir, " dit Lin.