Si vous ajoutez plus de lithium à l'électrode positive d'une batterie lithium-ion - surchargez-la, dans un sens - il peut stocker beaucoup plus de charge dans le même espace, alimentant théoriquement une voiture électrique 30 à 50 pour cent plus loin entre les charges. Mais ces cathodes riches en lithium perdent rapidement de la tension, et des années de recherche n'ont pas été en mesure de déterminer pourquoi - jusqu'à présent.

Après avoir examiné le problème sous plusieurs angles, chercheurs de l'Université de Stanford, deux laboratoires nationaux du ministère de l'Énergie et le fabricant de batteries Samsung ont créé une image complète de la façon dont les mêmes processus chimiques qui confèrent à ces cathodes leur haute capacité sont également liés à des changements dans la structure atomique qui sapent les performances.

"C'est une bonne nouvelle, " a déclaré William E. Gent, un étudiant diplômé de l'Université de Stanford et Siebel Scholar qui a dirigé l'étude. "Cela nous donne une nouvelle voie prometteuse pour optimiser les performances de tension des cathodes riches en lithium en contrôlant la façon dont leur structure atomique évolue au fur et à mesure qu'une batterie se charge et se décharge."

Michael Toney, un scientifique distingué du SLAC National Accelerator Laboratory et co-auteur de l'article, ajoutée, "C'est énorme si vous pouvez faire fonctionner ces électrodes riches en lithium, car elles seraient l'un des catalyseurs des voitures électriques avec une autonomie beaucoup plus longue. La communauté automobile s'intéresse énormément au développement de moyens de les mettre en œuvre, et comprendre quelles sont les barrières technologiques peut nous aider à résoudre les problèmes qui les freinent."

Le rapport de l'équipe paraît aujourd'hui dans Communication Nature .

Les chercheurs ont étudié les cathodes avec une variété de techniques de rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC et à la source de lumière avancée (ALS) du Lawrence Berkeley National Laboratory. Les théoriciens de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, dirigé par David Prendergast, ont également été impliqués, aider les expérimentateurs à comprendre ce qu'ils doivent rechercher et expliquer leurs résultats.

Les cathodes elles-mêmes ont été fabriquées par Samsung Advanced Institute of Technology en utilisant des procédés commercialement pertinents, et assemblés en batteries similaires à celles des véhicules électriques.

« Cela a permis de garantir que nos résultats représentaient une compréhension d'un matériau de pointe qui serait directement pertinent pour nos partenaires de l'industrie, " Gent a déclaré. En tant que doctorant ALS en résidence, il a participé à la fois aux expériences et à la modélisation théorique de l'étude.

Comme un seau à moitié vide

Les batteries convertissent l'énergie électrique en énergie chimique pour le stockage. Ils ont trois parties de base - deux électrodes, la cathode et l'anode, et l'électrolyte liquide entre eux. Lorsqu'une batterie lithium-ion se charge et se décharge, les ions lithium font la navette entre les deux électrodes, où ils s'insèrent dans les matériaux des électrodes.

Plus une électrode peut absorber et libérer d'ions par rapport à sa taille et à son poids - un facteur appelé capacité - plus elle peut stocker d'énergie et plus une batterie peut être petite et légère, permettant aux batteries de rétrécir et aux voitures électriques de parcourir plus de kilomètres entre les charges.

"La cathode des batteries lithium-ion d'aujourd'hui ne fonctionne qu'à environ la moitié de sa capacité théorique, ce qui signifie qu'il devrait pouvoir durer deux fois plus longtemps par charge, " a déclaré le professeur de Stanford William Chueh, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC.

"Mais vous ne pouvez pas le charger complètement. C'est comme un seau que vous remplissez d'eau, mais alors vous ne pouvez verser que la moitié de l'eau. C'est l'un des grands défis sur le terrain en ce moment - comment faire en sorte que ces matériaux cathodiques se comportent jusqu'à leur capacité théorique ? C'est pourquoi les gens sont si enthousiastes à l'idée de stocker beaucoup plus d'énergie dans des cathodes riches en lithium."

Comme les cathodes d'aujourd'hui, les cathodes riches en lithium sont constituées de couches de lithium prises en sandwich entre des couches d'oxydes de métaux de transition - des éléments comme le nickel, du manganèse ou du cobalt combiné à de l'oxygène. L'ajout de lithium à la couche d'oxyde augmente la capacité de la cathode de 30 à 50 %.

Joindre les points

Des recherches antérieures avaient montré que plusieurs choses se produisent simultanément lorsque des cathodes riches en lithium se chargent, Chueh a déclaré:Les ions lithium sortent de la cathode vers l'anode. Certains atomes de métaux de transition se déplacent pour prendre leur place. Pendant ce temps, les atomes d'oxygène libèrent une partie de leurs électrons, établir le courant et la tension électriques pour la charge, selon Chueh. Lorsque les ions lithium et les électrons retournent à la cathode pendant la décharge, la plupart des intrus de métaux de transition retournent à leurs emplacements d'origine, mais pas tous et pas tout de suite. A chaque cycle, ce va-et-vient modifie la structure atomique de la cathode. C'est comme si le seau se transformait en un seau plus petit et légèrement différent, Chueh ajouté.

"Nous savions que tous ces phénomènes étaient probablement liés, mais pas comment, " Chueh a déclaré. "Maintenant, cette suite d'expériences à SSRL et ALS montre le mécanisme qui les relie et comment le contrôler. Il s'agit d'une découverte technologique importante que les gens n'ont pas comprise de manière holistique. »

Au SSRL du SLAC, Toney et ses collègues ont utilisé diverses méthodes aux rayons X pour déterminer avec soin comment la structure atomique et chimique de la cathode changeait au fur et à mesure que la batterie se chargeait et se déchargeait.

Un autre outil important était le RIXS à rayons X doux, ou diffusion inélastique résonnante des rayons X, qui glane des informations à l'échelle atomique sur les propriétés magnétiques et électroniques d'un matériau. Un système RIXS avancé qui a commencé à fonctionner à l'ALS l'année dernière numérise les échantillons beaucoup plus rapidement qu'auparavant.

"RIXS a surtout été utilisé pour la physique fondamentale, ", a déclaré le scientifique de la SLA Wanli Yang. "Mais avec ce nouveau système de SLA, nous voulions vraiment ouvrir le RIXS aux études pratiques des matériaux, y compris les matériaux liés à l'énergie. Maintenant que son potentiel pour ces études a été partiellement démontré, nous pouvions facilement étendre RIXS à d'autres matériaux de batterie et révéler des informations qui n'étaient pas accessibles auparavant."

L'équipe travaille déjà à utiliser les connaissances fondamentales qu'elle a acquises pour concevoir des matériaux de batterie qui peuvent atteindre leur capacité théorique et ne pas perdre de tension au fil du temps.