La microscopie électronique d'un nanofil de dioxyde de manganèse en coupe transversale montre sa structure atomique tunnelée, stabilisé par des ions potassium. Les tunnels mesurent environ trois quarts de nanomètre, ou 7,5 ngströms, en diamètre. L'encart est un modèle du tunnel vu dans son axe. Crédit :Reza Shahbazian-Yassar/UIC
Les chercheurs sur les batteries à la recherche de matériaux d'électrode améliorés se sont concentrés sur des structures "tunnelées" qui facilitent le déplacement des ions porteurs de charge dans et hors de l'électrode. Maintenant, une équipe dirigée par un chercheur de l'Université de l'Illinois à Chicago a utilisé un microscope électronique spécial avec une résolution au niveau atomique pour montrer que certains gros ions peuvent maintenir les tunnels ouverts afin que les ions porteurs de charge puissent entrer et sortir facilement de l'électrode. et rapidement.
Le constat est rapporté dans Communication Nature .
"Des recherches importantes ont été menées pour augmenter la densité d'énergie et la densité de puissance des systèmes de batteries lithium-ion, " dit Reza Shahbazian-Yassar, professeur agrégé de génie mécanique et industriel à l'UIC.
La génération actuelle, il a dit, est assez utile pour les appareils portables, mais l'énergie et la puissance maximales pouvant être extraites sont limitatives.
« Donc pour une voiture électrique, nous devons augmenter l'énergie et la puissance de la batterie et diminuer le coût également, " il a dit.
Son équipe, qui comprend des collègues du Laboratoire national d'Argonne, Michigan Technological Institute et l'Université de Bath au Royaume-Uni, s'est concentré sur le développement d'une cathode à base de dioxyde de manganèse, un matériau à très faible coût et respectueux de l'environnement avec une grande capacité de stockage.
Le dioxyde de manganèse a une structure en treillis avec des tunnels régulièrement espacés qui permettent aux porteurs de charge, comme les ions lithium, d'entrer et de sortir librement.
"Mais pour que les tunnels survivent pour une fonction durable, ils ont besoin de structures de support à l'échelle atomique, " a déclaré Shahbazian-Yassar. " Nous les appelons des stabilisateurs de tunnel, et ils sont généralement gros, ions positifs, comme le potassium ou le baryum."
Le schéma en 3D montre comment le dopage au potassium peut faciliter l'insertion d'ions lithium dans du dioxyde de manganèse déposé sur un collecteur de courant. Crédit :Reza Shahbazian-Yassar/UIC
Mais les stabilisateurs de tunnel, étant chargé positivement comme les ions lithium, devraient se repousser.
"Si le lithium entre, le stabilisateur de tunnel sortira-t-il ? » Shahbazian-Yassar haussa les épaules. « La communauté des chercheurs était en désaccord sur le rôle des stabilisateurs de tunnel lors du transfert du lithium dans les tunnels. Aide-t-il, ou blessé ?"
La nouvelle étude représente la première utilisation de la microscopie électronique pour visualiser la structure atomique des tunnels dans un matériau d'électrode unidimensionnel, ce qui, selon les chercheurs, n'avait pas été possible auparavant en raison de la difficulté de préparer des échantillons. Il leur a fallu deux ans pour établir la procédure de recherche de tunnels dans des nanofils de dioxyde de manganèse dopés au potassium jusqu'au niveau d'un seul atome.
Yifei Yuan, un chercheur postdoctoral travaillant conjointement au Laboratoire National d'Argonne et à l'UIC et l'auteur principal de l'étude, a ensuite pu utiliser une technique puissante appelée microscopie électronique à transmission à balayage à correction d'aberration pour imager les tunnels à une résolution inférieure à l'ngstrom afin qu'il puisse voir clairement à l'intérieur d'eux - et il a vu qu'ils changent en présence d'un ion stabilisateur.
"C'est un moyen direct de voir les tunnels, " dit Yuan. " Et nous avons vu que lorsque vous ajoutez un stabilisateur de tunnel, les tunnels s'élargissent, leurs structures électroniques changent également, et de tels changements permettent aux ions lithium d'entrer et de sortir, autour du stabilisateur."
La découverte montre que les stabilisateurs de tunnel peuvent aider au transfert d'ions dans les tunnels et au taux de charge et de décharge, dit Shahbazian-Yassar. La présence d'ions potassium dans les tunnels améliore la conductivité électronique du dioxyde de manganèse et la capacité des ions lithium à diffuser rapidement dans et hors des nanofils.
"Avec des ions potassium restant au centre des tunnels, la rétention de capacité s'améliore de moitié sous un courant de cyclage élevé, ce qui signifie que la batterie peut conserver sa capacité plus longtemps, " il a dit.
