Une technique expérimentale développée par les chercheurs d'A*STAR a été utilisée pour suivre les changements chimiques et structurels d'une électrode lorsqu'une batterie se décharge. La technique basée sur les rayons X devrait contribuer à améliorer les performances des matériaux dans les batteries de nouvelle génération.

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans notre vie quotidienne, par exemple dans les appareils mobiles et les véhicules électriques. Ils stockent et libèrent de l'énergie en faisant circuler des ions lithium entre deux électrodes (voir image). Mais la quantité d'énergie que ces électrodes peuvent stocker, et la vitesse à laquelle les batteries se chargent ou se déchargent, est encore relativement limité. De plus, une utilisation répétée peut provoquer l'expansion et la contraction des électrodes, dégradant leurs performances dans le temps.

Des électrodes contenant des nanotubes de dioxyde de titane organisés sous une forme connue sous le nom de phase bronze pourraient aider à surmonter ces restrictions car le matériau a une capacité de charge théorique élevée et son volume change peu au cours du fonctionnement. Cependant, son mécanisme de charge n'est pas entièrement compris, en raison des limites des outils analytiques qui peuvent sonder directement le processus de charge de surface.

Yonghua Du de l'Institut des sciences chimiques et de l'ingénierie A*STAR, et le groupe de Xiaodong Chen à l'Université technologique de Nanyang ont maintenant résolu ce problème en utilisant la source de lumière synchrotron de Singapour pour effectuer des mesures de spectroscopie d'absorption des rayons X sur les électrodes en dioxyde de titane pendant le fonctionnement.

Ils ont découvert que la charge moyenne des atomes de titane du matériau, connu comme leur état de valence, a chuté régulièrement d'environ quatre à trois alors que le matériau accumulait des ions lithium pendant la décharge. Les expériences ont également révélé comment la structure cristalline du matériau s'est dilatée à mesure que les ions lithium s'accumulaient dans l'électrode. Étant donné que les atomes de titane dans un état de faible valence sont légèrement plus gros que ceux dans un état de valence plus élevé, cela a encore déformé la structure cristalline. "Une transition de phase se produit pendant la charge et la décharge, " explique Du.

Différents mécanismes de stockage de charges peuvent se produire à la surface de l'électrode, que les expériences ont quantifié pour la première fois. Ils ont montré que la plus grande partie de la capacité de stockage de la batterie dépend du changement de l'état de valence du titane. D'autres tests ont démontré que les nanotubes de dioxyde de titane creux pouvaient stocker plus de charge que les nanofils du même matériau.

Au fur et à mesure que le taux de décharge augmentait, une plus grande proportion d'ions lithium était stockée à la surface de l'électrode, plutôt que profondément dans sa structure. Cela a réduit le changement de l'état de valence moyen du titane, ce qui a finalement réduit la capacité énergétique de l'électrode.

Cette analyse du fonctionnement des batteries lithium-ion aidera à guider les chercheurs dans la conception de nanostructures d'électrodes pour améliorer le stockage et la mobilité du lithium-ion. Du note que leur technique de spectroscopie d'absorption des rayons X pourrait également être appliquée à d'autres matériaux d'électrode.