Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans l'électronique domestique et sont maintenant utilisées pour alimenter les véhicules électriques et stocker l'énergie pour le réseau électrique. Mais leur nombre limité de cycles de recharge et leur tendance à dégrader leur capacité au cours de leur durée de vie ont stimulé de nombreuses recherches pour améliorer la technologie.

Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a utilisé des techniques avancées de microscopie électronique pour montrer comment le rapport des matériaux qui composent une électrode de batterie lithium-ion affecte sa structure au niveau atomique, et comment la surface est très différente du reste du matériau. Le travail a été publié dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .

Connaître l'évolution de la structure interne et de la surface d'un matériau de batterie sur une large gamme de compositions chimiques facilitera les futures études sur les transformations cathodiques et pourrait également conduire au développement de nouveaux matériaux de batterie.

"Cette découverte pourrait changer la façon dont nous regardons les transformations de phase au sein de la cathode et la perte de capacité qui en résulte dans cette classe de matériau, " a déclaré Alpesh Khushalchand Shukla, un scientifique à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et auteur principal de l'étude. "Notre travail montre qu'il est extrêmement important de caractériser complètement un nouveau matériau à l'état d'origine, ainsi qu'après le cyclisme, afin d'éviter les erreurs d'interprétation."

Travaux antérieurs de chercheurs de la Fonderie Moléculaire, un centre de recherche spécialisé dans la science à l'échelle nanométrique, a révélé la structure des matériaux cathodiques contenant du lithium "en excès", résoudre un débat de longue date.

À l'aide d'une suite de microscopes électroniques à la fois au Centre national de microscopie électronique (NCEM), une installation de Fonderie Moléculaire, et chez SuperSTEM, le Centre national de recherche pour la microscopie électronique avancée à Daresbury, ROYAUME-UNI., l'équipe de recherche a découvert que même si les atomes à l'intérieur du matériau cathodique restaient dans le même schéma structurel dans toutes les compositions, la diminution de la quantité de lithium a entraîné une augmentation du caractère aléatoire de la position de certains atomes dans la structure.

En comparant différentes compositions de matériau cathodique aux performances de la batterie, les chercheurs ont également démontré qu'il était possible d'optimiser les performances de la batterie par rapport à la capacité en utilisant un ratio plus faible de lithium par rapport aux autres métaux.

La découverte la plus surprenante était que la structure de surface d'une cathode inutilisée est très différente de l'intérieur de la cathode. Une fine couche de matériau à la surface possédant une structure différente, appelée phase « spinelle », a été trouvé dans toutes leurs expériences. Plusieurs études précédentes avaient négligé le fait que cette couche pouvait être présente à la fois sur les cathodes neuves et usagées.

En faisant varier systématiquement le rapport du lithium sur un métal de transition, comme essayer différentes quantités d'ingrédients dans une nouvelle recette de biscuits, l'équipe de recherche a pu étudier la relation entre la surface et la structure intérieure et mesurer les performances électrochimiques du matériau. L'équipe a pris des images de chaque lot de matériaux cathodiques sous plusieurs angles et a créé des images complètes, Rendus 3D de chaque structure.

"Obtenir une telle précision, l'information au niveau atomique sur des échelles de longueur pertinentes pour les technologies de batterie était un défi, " dit Quentin Ramasse, Directeur du Laboratoire SuperSTEM. "C'est un parfait exemple de la raison pour laquelle les multiples techniques d'imagerie et de spectroscopie disponibles en microscopie électronique en font un outil indispensable et polyvalent dans la recherche sur les énergies renouvelables."

Les chercheurs ont également utilisé une nouvelle technique appelée microscopie électronique à transmission à balayage 4-D (STEM 4D). En microscopie électronique à transmission (MET), les images sont formées après que les électrons ont traversé un échantillon mince. En microscopie conventionnelle à électrode de transmission à balayage (STEM), le faisceau d'électrons est focalisé jusqu'à un très petit point (aussi petit que 0,5 nanomètre, ou des milliardièmes de mètre, de diamètre), puis cet endroit est balayé d'avant en arrière sur l'échantillon comme une tondeuse sur une pelouse.

Le détecteur du STEM conventionnel compte simplement combien d'électrons sont diffusés (ou non diffusés) dans chaque pixel. Cependant, en 4D-STEM, les chercheurs utilisent un détecteur d'électrons à grande vitesse pour enregistrer où chaque électron se disperse, de chaque point scanné. Il permet aux chercheurs de mesurer la structure locale de leur échantillon à haute résolution sur un large champ de vision.

"L'introduction de caméras électroniques à grande vitesse nous permet d'extraire des informations à l'échelle atomique à partir de très grandes dimensions d'échantillons, " dit Colin Ophus, chercheur au NCEM. "Les expériences 4D-STEM signifient que nous n'avons plus besoin de faire un compromis entre les plus petites caractéristiques que nous pouvons résoudre et le champ de vision que nous observons - nous pouvons analyser la structure atomique de la particule entière à la fois."