Une équipe de scientifiques comprenant des chercheurs du Brookhaven National Laboratory et du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a identifié les causes de la dégradation d'un matériau de cathode pour les batteries lithium-ion, ainsi que les remèdes possibles. Leurs découvertes, publié le 7 mars dans Matériaux fonctionnels avancés , pourrait conduire au développement de batteries plus abordables et plus performantes pour les véhicules électriques.

Recherche de matériaux cathodiques performants

Pour que les véhicules électriques offrent la même fiabilité que les véhicules à essence, ils ont besoin de batteries légères mais puissantes. Les batteries lithium-ion sont le type de batterie le plus courant dans les véhicules électriques aujourd'hui, mais leur coût élevé et leur durée de vie limitée sont des limites au déploiement généralisé des véhicules électriques. Pour surmonter ces défis, les scientifiques de nombreux laboratoires nationaux du DOE recherchent des moyens d'améliorer la batterie lithium-ion traditionnelle.

Les batteries sont composées d'une anode, une cathode, et un électrolyte, mais de nombreux scientifiques considèrent la cathode comme le défi le plus urgent. Les chercheurs de Brookhaven font partie d'un consortium parrainé par le DOE appelé Battery500, un groupe qui travaille à tripler la densité énergétique des batteries qui alimentent les véhicules électriques d'aujourd'hui. L'un de leurs objectifs est d'optimiser une classe de matériaux cathodiques appelés matériaux en couches riches en nickel.

« Les matériaux stratifiés sont très attractifs car ils sont relativement faciles à synthétiser, mais aussi parce qu'ils ont une capacité et une densité énergétique élevées, " a déclaré le chimiste de Brookhaven Enyuan Hu, un auteur de l'article.

L'oxyde de lithium-cobalt est un matériau en couches qui a été utilisé comme cathode pour les batteries lithium-ion pendant de nombreuses années. Malgré son application réussie dans les petits systèmes de stockage d'énergie tels que l'électronique portable, le coût et la toxicité du cobalt sont des obstacles à l'utilisation du matériau dans des systèmes plus importants. Maintenant, les chercheurs étudient comment remplacer le cobalt par des éléments plus sûrs et plus abordables sans compromettre les performances du matériau.

"Nous avons choisi un matériau stratifié riche en nickel car le nickel est moins cher et toxique que le cobalt, " dit Hu. " Cependant, le problème est que les matériaux stratifiés riches en nickel commencent à se dégrader après plusieurs cycles de charge-décharge dans une batterie. Notre objectif est d'identifier la cause de cette dégradation et de proposer des solutions possibles."

Déterminer la cause de l'affaiblissement de la capacité

Les matériaux cathodiques peuvent se dégrader de plusieurs manières. Pour les matériaux riches en nickel, le problème est principalement la décoloration de la capacité - une réduction de la capacité de charge-décharge de la batterie après utilisation. Pour bien comprendre ce processus dans leurs matériaux stratifiés riches en nickel, les scientifiques devaient utiliser plusieurs techniques de recherche pour évaluer le matériau sous différents angles.

"C'est un matériau très complexe. Ses propriétés peuvent changer à différentes échelles de longueur au cours du cyclisme, " a déclaré Hu. "Nous avions besoin de comprendre comment la structure du matériau a changé au cours du processus de charge-décharge à la fois physiquement - à l'échelle atomique - et chimiquement, qui impliquait de multiples éléments :nickel, cobalt, manganèse, oxygène, et le lithium."

Faire cela, Hu et ses collègues ont caractérisé le matériau dans plusieurs installations de recherche, y compris deux sources de lumière synchrotron :la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) à Brookhaven et la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) au SLAC. Les deux sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

"A chaque échelle de longueur dans ce matériau, des angströms aux nanomètres et aux micromètres, quelque chose se passe pendant le processus de charge-décharge de la batterie, " a déclaré le co-auteur Eli Stavitski, scientifique de la ligne de lumière à la ligne de lumière de la spectroscopie de la coque intérieure (ISS) du NSLS-II. "Nous avons utilisé une technique appelée spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) ici à l'ISS pour révéler une image atomique de l'environnement autour des ions métalliques actifs dans le matériau."

Les résultats des expériences XAS au NSLS-II ont conduit les chercheurs à conclure que le matériau avait une structure robuste qui ne libérait pas d'oxygène de la masse, remettre en question les croyances antérieures. Au lieu, les chercheurs ont identifié que la souche et le trouble local étaient principalement associés au nickel.

Pour aller plus loin, l'équipe a mené des expériences de microscopie à rayons X à transmission (TXM) à SSRL, cartographier toutes les distributions chimiques dans le matériau. Cette technique produit un très grand ensemble de données, les scientifiques de SSRL ont donc appliqué l'apprentissage automatique pour trier les données.

"Ces expériences ont produit une énorme quantité de données, c'est là qu'intervient notre contribution informatique, " a déclaré le co-auteur Yijin Liu, un scientifique du SLAC. "Il n'aurait pas été pratique pour les humains d'analyser toutes ces données, Nous avons donc développé une approche d'apprentissage automatique qui a recherché dans les données et fait des jugements sur les emplacements problématiques. Cela nous a dit où chercher et a guidé notre analyse. »

Hu a dit, "La principale conclusion que nous avons tirée de cette expérience était qu'il y avait des inhomogénéités considérables dans les états d'oxydation des atomes de nickel dans toute la particule. Une partie du nickel dans la particule a maintenu un état oxydé, et probablement désactivé, tandis que le nickel en surface était irréversiblement réduit, diminuant son efficacité."

Des expériences supplémentaires ont révélé de petites fissures formées dans la structure du matériau.

"Pendant le processus de charge-décharge d'une batterie, le matériau cathodique se dilate et se rétrécit, créer du stress, " Hu a dit. " Si ce stress peut être libéré rapidement, cela ne causera pas de problème mais, s'il ne peut pas être libéré efficacement, alors des fissures peuvent se produire."

Les scientifiques pensaient qu'ils pourraient éventuellement atténuer ce problème en synthétisant un nouveau matériau avec une structure creuse. Ils ont testé et confirmé cette théorie expérimentalement, ainsi que par des calculs. Avancer, l'équipe prévoit de continuer à développer et caractériser de nouveaux matériaux pour améliorer leur efficacité.

"Nous travaillons dans un cycle de développement, " Stavitski a dit. " Vous développez le matériel, puis vous le caractérisez pour mieux comprendre ses performances. Ensuite, vous retournez chez un chimiste de synthèse pour développer une structure matérielle avancée, et puis vous caractérisez cela à nouveau. C'est une voie d'amélioration continue."

En outre, alors que NSLS-II continue de développer ses capacités, les scientifiques prévoient de réaliser des expériences TXM plus avancées sur ces types de matériaux, en profitant de la lumière ultra-brillante du NSLS-II.