Alors que les réservoirs de gaz peuvent être remplis en quelques minutes, charger la batterie d'une voiture électrique prend beaucoup plus de temps. Pour uniformiser les règles du jeu et rendre les véhicules électriques plus attractifs, les scientifiques travaillent sur des technologies de charge rapide.

La recharge rapide est très importante pour les véhicules électriques, " a déclaré Daniel Abraham, scientifique en charge des batteries, du laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). ?" Nous aimerions pouvoir charger une batterie de véhicule électrique en moins de 15 minutes, et encore plus vite si possible."

"En voyant exactement comment le lithium est distribué au sein de l'électrode, nous gagnons la capacité de déterminer avec précision la manière inhomogène dont une batterie vieillit. "—Daniel Abraham, Scientifique de la batterie d'Argonne

Le principal problème de la charge rapide se produit lors du transport des ions lithium de la cathode positive à l'anode négative. Si la batterie se charge lentement, les ions lithium extraits de la cathode s'insèrent progressivement entre les plans d'atomes de carbone qui composent l'anode en graphite, un processus connu sous le nom d'intercalation du lithium.

Mais lorsque ce processus est accéléré, le lithium peut finir par se déposer à la surface du graphite sous forme de métal, qui est appelé placage au lithium. ?"Quand cela arrive, les performances de la batterie en souffrent considérablement, parce que le lithium plaqué ne peut pas être déplacé d'une électrode à l'autre, " dit Abraham.

Selon Abraham, ce lithium métal va réduire chimiquement l'électrolyte de la batterie, provoquant la formation d'une interphase solide-électrolyte qui lie les ions lithium afin qu'ils ne puissent pas être déplacés entre les électrodes. Par conséquent, moins d'énergie peut être stockée dans la batterie au fil du temps.

Pour étudier le mouvement des ions lithium au sein de la batterie, Abraham s'est associé au chercheur postdoctoral Koffi Pierre Yao et au physicien des rayons X d'Argonne John Okasinski à la source avancée de photons du laboratoire, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Là, Okasinski a essentiellement créé une image 2D de la batterie en utilisant des rayons X pour imager chaque phase de graphite lithié dans l'anode.

En obtenant cette vue, les chercheurs ont pu quantifier avec précision la quantité de lithium dans différentes régions de l'anode pendant la charge et la décharge de la batterie.

Dans l'étude, les scientifiques ont établi que le lithium s'accumule dans des régions plus proches du séparateur de la batterie dans des conditions de charge rapide.

"Vous pourriez vous attendre à ce que juste par bon sens, " Abraham a expliqué. ?" Mais en voyant exactement comment le lithium est distribué au sein de l'électrode, nous gagnons la capacité de déterminer avec précision la manière inhomogène dont une batterie vieillit."

Pour voir sélectivement une région particulière au cœur de la batterie, les chercheurs ont utilisé une technique appelée diffraction des rayons X à dispersion d'énergie. Au lieu de faire varier l'angle du faisceau pour atteindre des zones d'intérêt particulières, les chercheurs ont fait varier la longueur d'onde de la lumière incidente.

En utilisant les rayons X, Les scientifiques d'Argonne ont pu déterminer les structures cristallines présentes dans les couches de graphite. Parce que le graphite est un matériau cristallin, l'insertion de lithium provoque une dilatation variable du réseau de graphite. Ce gonflement des couches se traduit par une différence dans les pics de diffraction, Okasinski a dit, et les intensités de ces pics donnent la teneur en lithium dans le graphite.

Bien que cette recherche se concentre sur les petites piles bouton, Okasinski a déclaré que de futures études pourraient examiner le comportement de lithiation dans des batteries à piles plus grandes, comme ceux que l'on trouve dans les smartphones et les véhicules électriques.

Un article basé sur l'étude, "Quantification des gradients de concentration de lithium dans l'électrode de graphite des cellules lithium-ion à l'aide de la diffraction des rayons X à dispersion d'énergie operando, " paru dans le numéro en ligne du 9 janvier de Sciences de l'énergie et de l'environnement .