L'interface de l'anode solide et de l'électrolyte liquide joue un rôle crucial dans les performances d'une batterie lithium-métal, mais caractériser les processus qui se produisent à cette intersection a été un défi.

Pour étudier la surface de l'anode, généralement, l'électrolyte liquide est éliminé et la surface est lavée et séchée avant analyse. Mais ce lavage et ce séchage modifient fondamentalement la structure et la chimie de l'interface; pour obtenir une image précise de l'interface, il doit être vu dans son état naturel.

Des chercheurs du laboratoire de Lena Kourkoutis, professeur assistant de physique appliquée et de l'ingénieur, ont développé et démontré une technique de visualisation directe des interfaces solide-liquide afin de mieux comprendre un problème majeur des batteries Li-métal :la croissance de dendrites sur l'anode, qui peut provoquer un court-circuit et, dans des cas extrêmes, panne de batterie catastrophique.

Michael Zachman, doctorat '18, membre du laboratoire Kourkoutis, est l'auteur principal de "Cryo-STEM Mapping of Solid-Liquid Interfaces and Dendrites in Li-Metal Batteries, " qui publiera le 16 août dans La nature .

Des contributions clés ont été apportées par le laboratoire de Lynden Archer, la James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Zhengyuan Tu, doctorat '17, et Snehashis Choudhury, doctorat '18, tous deux du groupe Archer, construit et analysé les performances des batteries utilisées dans l'étude.

La méthode développée par le laboratoire de Kourkoutis consiste à congeler rapidement l'électrolyte sur l'électrode, et une suite de techniques de microscopie cryogénique pour analyser la morphologie, informations chimiques et structurelles à l'interface solide-liquide. Ce travail a des implications pour les systèmes bien au-delà du stockage d'énergie, disent les chercheurs.

"La technique que nous avons développée nous permet vraiment d'avoir une vue non déformée de ce qui se passe à ces interfaces très complexes, " a déclaré Kourkoutis. " Et c'est la clé pour comprendre non seulement cette interface particulière, mais aussi les implications des réactions ou des processus qui se produisent."

Kourkoutis a déclaré que ce travail a été inspiré par son expérience dans un laboratoire de biologie à l'Institut Max Planck en Allemagne, où elle a utilisé une méthode appelée cryo-FIB (faisceau d'ions focalisé) pour examiner les processus à l'intérieur des cellules. A Cornell, son groupe a adapté la cryo-FIB aux interfaces solide-liquide et l'a combinée avec la cryo-STEM (microscopie électronique à transmission à balayage) pour accéder à la structure intacte des dendrites à l'échelle nanométrique.

Pour ce travail, Des piles bouton ont été ouvertes et l'électrode a immédiatement plongé dans un cryogène pour geler rapidement et préserver la structure. Zachman, qui a préparé les échantillons et effectué les expériences, découvert deux types distincts de dendrites sur la surface de l'anode :le type I était relativement grand (environ 5 microns de diamètre) avec une faible courbure; le type II était épais de centaines de nanomètres et tortueux.

En outre, les dendrites de type I présentaient une interphase étendue d'électrolyte solide (SEI) - une couche molle considérée comme un précurseur de la croissance des dendrites - d'environ 300 à 500 nanomètres d'épaisseur, beaucoup plus grand que ce qui a été observé précédemment. La découverte de cette couche - dont l'étude suggère qu'elle est principalement perdue pendant le lavage et le séchage nécessaires dans l'analyse traditionnelle - indique que plus de lithium est irréversiblement perdu dans la couche SEI qu'on ne le pensait auparavant.

La technique du groupe a également révélé que les dendrites de type II étaient composées d'hydrure de lithium. "Seules les dendrites composées de lithium métal ont été supposées être dans les batteries, " Zachman a dit, « et maintenant, nous voyons qu'il y a également des dendrites d'hydrure de lithium, et ils devraient avoir des effets significatifs sur les performances de la batterie."

Archer a déclaré que ces découvertes devraient aider à fournir "des indices importants sur la façon dont on pourrait aborder la conception chimique des électrolytes de batterie".

La collaboration entre les groupes Kourkoutis et Archer découle d'une proposition conjointe écrite pour obtenir 2,7 millions de dollars de la National Science Foundation pour obtenir le microscope électronique à transmission à balayage utilisé dans cette recherche.

« Il s'agit d'une démonstration exceptionnelle de l'héritage des collaborations radicales qui ont défini la recherche en science des matériaux à Cornell, et qui différencient Cornell de ses pairs en tant qu'endroit pour faire un tel travail, " dit Archer.