Une illustration montre la croissance d'une phase déficiente en lithium (bleu) au détriment d'une phase riche en lithium (rouge) dans une microtige de phosphate de fer lithium. Des chercheurs de l'Université Rice ont mené une étude qui a révélé que des défauts dans un matériau de cathode commun pour les batteries lithium-ion peuvent potentiellement améliorer les performances par rapport aux électrodes parfaites en permettant le transport du lithium sur une surface beaucoup plus grande qu'on ne le pensait auparavant. Crédit :Groupe de modélisation des matériaux à mésoéchelle/Université Rice
Les électrodes hautes performances pour batteries lithium-ion peuvent être améliorées en portant une plus grande attention à leurs défauts et en les capitalisant, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Le scientifique des matériaux de riz Ming Tang et les chimistes Song Jin à l'Université du Wisconsin-Madison et Linsen Li au Wisconsin et le Massachusetts Institute of Technology ont mené une étude qui combinait les technologies de pointe, spectroscopie et modélisation de rayons X in situ pour mieux comprendre le transport du lithium dans les cathodes des batteries. Ils ont découvert qu'un matériau de cathode commun pour les batteries lithium-ion, phosphate de fer lithium olivine, libère ou absorbe des ions lithium à travers une surface beaucoup plus grande qu'on ne le pensait auparavant.
"Nous savons que ce matériau fonctionne très bien mais il y a encore beaucoup de débats sur pourquoi, " Tang a dit. " Dans de nombreux aspects, ce matériel n'est pas censé être si bon, mais d'une manière ou d'une autre, cela dépasse les attentes des gens."
Une partie de la raison, Tang a dit, provient de défauts ponctuels - des atomes égarés dans le réseau cristallin - connus sous le nom de défauts antisites. De tels défauts sont impossibles à éliminer complètement dans le processus de fabrication. Comme il s'avère, il a dit, ils font que les matériaux d'électrode du monde réel se comportent très différemment des cristaux parfaits.
Cela et d'autres révélations dans un Communication Nature Le papier pourrait potentiellement aider les fabricants à développer de meilleures batteries lithium-ion qui alimentent les appareils électroniques dans le monde entier.
Les principaux auteurs de l'étude - Liang Hong de Rice et Li du Wisconsin et du MIT - et leurs collègues ont collaboré avec des scientifiques du Département de l'énergie du Brookhaven National Laboratory pour utiliser ses puissantes sources de lumière synchrotron et observer en temps réel ce qui se passe à l'intérieur du matériau de la batterie lorsque il est en charge. Ils ont également utilisé des simulations informatiques pour expliquer leurs observations.
Une image au microscope électronique montre des particules de microtiges du type utilisé dans une étude menée par l'Université Rice sur le transport du lithium dans les batteries lithium-ion. Crédit :Linsen Li et Song Jin/Université du Wisconsin à Madison
Une révélation, Tang a dit, était que les défauts microscopiques des électrodes sont une caractéristique, pas un bug.
"Les gens pensent généralement que les défauts sont une mauvaise chose pour les matériaux de la batterie, qu'ils détruisent les propriétés et les performances, " dit-il. " Avec la quantité croissante de preuves, nous avons réalisé qu'avoir une quantité appropriée de défauts ponctuels peut en fait être une bonne chose."
A l'intérieur d'un sans défaut, réseau cristallin parfait d'une cathode au lithium fer phosphate, le lithium ne peut se déplacer que dans un sens, dit Tang. À cause de ce, on pense que la réaction d'intercalation du lithium ne peut se produire que sur une fraction de la surface de la particule.
Mais l'équipe a fait une découverte surprenante lors de l'analyse des images spectroscopiques aux rayons X de Li :la réaction de surface a lieu sur le grand côté de son imparfait, microbâtonnets synthétisés, ce qui contredit les prédictions théoriques selon lesquelles les côtés seraient inactifs parce qu'ils sont parallèles au mouvement perçu du lithium.
Les chercheurs ont expliqué que les défauts de particules modifient fondamentalement les propriétés de transport du lithium de l'électrode et permettent au lithium de sauter à l'intérieur de la cathode dans plusieurs directions. Cela augmente la surface réactive et permet un échange plus efficace des ions lithium entre la cathode et l'électrolyte.
Parce que la cathode dans cette étude a été faite par une méthode de synthèse typique, Tang a dit, la conclusion est très pertinente pour les applications pratiques.
Les chercheurs de l'Université Rice Liang Hong, la gauche, et Ming Tang étudient les caractéristiques de transport du lithium des batteries. Avec leurs collègues, ils ont découvert que les défauts des cathodes courantes des batteries lithium-ion peuvent potentiellement améliorer les performances du matériau par rapport aux électrodes « parfaites ». Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"Ce que nous avons appris change la réflexion sur la façon dont la forme des particules de phosphate de fer et de lithium doit être optimisée, " dit-il. " En supposant un mouvement au lithium unidimensionnel, les gens ont tendance à croire que la forme idéale des particules devrait être une plaque mince, car elle réduit la distance que le lithium doit parcourir dans cette direction et maximise la surface réactive en même temps. Mais comme nous savons maintenant que le lithium peut se déplacer dans plusieurs directions, grâce aux défauts, les critères de conception pour maximiser les performances seront certainement très différents."
La deuxième observation surprenante, Tang a dit, a à voir avec le mouvement des limites de phase dans la cathode lorsqu'elle est chargée et déchargée.
"Quand tu retires de la chaleur de l'eau, il se transforme en glace, " dit-il. " Et quand vous retirez du lithium de ces particules, il forme une autre phase pauvre en lithium, comme la glace, qui coexiste avec la phase initiale riche en lithium." Les phases sont séparées par une interface, ou une limite de phase. La vitesse à laquelle le lithium peut être extrait dépend de la vitesse à laquelle la limite de phase se déplace à travers une particule, il a dit.
Contrairement aux matériaux en vrac, Tang a expliqué, il a été prédit que le mouvement des limites de phase dans les petites particules de batterie peut être limité par la vitesse de réaction de surface. Les chercheurs ont pu apporter les premières preuves concrètes de ce mécanisme contrôlé par réaction de surface, mais avec une torsion.
"Nous voyons la limite de phase se déplacer dans deux directions différentes à travers deux mécanismes différents, soit contrôlé par réaction de surface ou diffusion en masse du lithium, ", a-t-il déclaré. "Ce mécanisme hybride brosse un tableau plus compliqué de la façon dont la transformation de phase se produit dans les matériaux de batterie. Parce qu'il peut avoir lieu dans un grand groupe de matériaux d'électrode, cette découverte est fondamentale pour comprendre les performances de la batterie et souligne l'importance d'améliorer la vitesse de réaction de surface."
