Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont développé une nouvelle technique qui leur permet de localiser les réactions chimiques se produisant à l'intérieur des batteries lithium-ion en trois dimensions au niveau nanométrique. Leurs résultats sont publiés dans la revue Communication Nature .

« Connaître les emplacements précis des réactions chimiques au sein des nanoparticules individuelles qui participent à ces réactions nous aide à identifier le fonctionnement d'une batterie et à découvrir comment la batterie pourrait être optimisée pour la faire fonctionner encore mieux, " dit Jordi Cabana, professeur agrégé de chimie à l'UIC et co-auteur de l'article.

Lorsqu'une batterie se charge et se décharge, ses électrodes, les matériaux où se déroulent les réactions productrices d'énergie, sont alternativement oxydées et réduites. Les voies chimiques par lesquelles ces réactions ont lieu aident à déterminer à quelle vitesse une batterie s'épuise.

Les outils disponibles pour étudier ces réactions ne peuvent fournir des informations que sur la composition moyenne des électrodes à un moment donné. Par exemple, ils peuvent indiquer à un chercheur quel pourcentage de l'électrode est devenu oxydé de façon permanente. Mais ces outils ne peuvent pas renseigner sur la localisation des parties oxydées dans l'électrode. En raison de ces limites, il n'est pas possible de dire si les réactions sont confinées à une certaine zone de l'électrode, comme la surface du matériau, ou si les réactions se déroulent uniformément dans toute l'électrode.

"Être capable de dire s'il y a une tendance à une réaction à se produire dans une partie spécifique de l'électrode, et mieux encore, la localisation des réactions au sein des nanoparticules individuelles dans l'électrode, serait extrêmement utile car vous pourriez alors comprendre comment ces réactions localisées sont en corrélation avec le comportement de la batterie, tels que son temps de charge ou le nombre de cycles de recharge qu'il peut subir efficacement, " dit Cabane.

La nouvelle technique, appelée tomographie ptychographique aux rayons X, est né d'un partenariat entre des chimistes de l'UIC et des scientifiques de l'Advanced Light Source, au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Les scientifiques de Advanced Light Source ont développé les algorithmes d'instrumentation et de mesure, qui ont été utilisés pour aider à répondre aux questions fondamentales sur les matériaux et le comportement des batteries identifiées par l'équipe de l'UIC.

Ensemble, les deux équipes ont utilisé la technique tomographique pour examiner des dizaines de nanoparticules de phosphate de lithium-fer récupérées à partir d'une électrode de batterie qui avait été partiellement chargée. Les chercheurs ont utilisé une méthode cohérente, faisceau nanométrique de rayons X généré par l'accélérateur synchrotron à haut flux de la source lumineuse avancée pour interroger chaque nanoparticule. Le modèle d'absorption du faisceau par le matériau a donné aux chercheurs des informations sur l'état d'oxydation du fer dans les nanoparticules du faisceau de rayons X. Parce qu'ils ont pu déplacer le faisceau de quelques nanomètres et relancer leur interrogation, l'équipe a pu reconstruire des cartes chimiques des nanoparticules avec une résolution d'environ 11 nanomètres. En faisant tourner le matériau dans l'espace, ils pourraient créer une reconstruction tomographique tridimensionnelle des états d'oxydation de chaque nanoparticule. En d'autres termes, ils pouvaient dire dans quelle mesure une nanoparticule individuelle de phosphate de fer et de lithium avait réagi.

"En utilisant notre nouvelle technique, nous pouvions non seulement voir que les nanoparticules individuelles montraient des degrés de réaction différents à un moment donné, mais aussi comment la réaction s'est déroulée à l'intérieur de chaque nanoparticule, " dit Cabane.