Les batteries lithium-ion devraient avoir une valeur marchande mondiale de 47 milliards de dollars d'ici 2023. Elles sont utilisées dans de nombreuses applications, car ils offrent une densité énergétique (capacité de stockage) relativement élevée, haute tension de fonctionnement, longue durée de vie et peu "d'effet mémoire" - une réduction de la capacité maximale d'une batterie rechargeable en raison de décharges incomplètes lors d'utilisations précédentes. Cependant, facteurs tels que la sécurité, les cycles de charge-décharge et la durée de vie utile continuent de limiter l'efficacité des batteries lithium-ion dans les applications lourdes, comme pour alimenter les véhicules électriques.

Des chercheurs de la faculté d'ingénierie de l'Université de Virginie utilisent des techniques d'imagerie neutronique au laboratoire national d'Oak Ridge pour sonder les batteries lithium-ion et obtenir des informations sur les caractéristiques électrochimiques des matériaux et des structures des batteries. Leurs recherches, publié dans le Journal des sources d'énergie , axé sur le suivi des processus de lithiation et de délithiation - ou de charge et de décharge - dans les électrodes de batterie lithium-ion à l'aide d'échantillons frittés minces et épais de deux matériaux électroactifs, titanate de lithium et oxyde de cobalt-lithium.

Comprendre comment le lithium se déplace dans les électrodes des batteries est important pour concevoir des batteries capables de se charger et de se décharger à des vitesses plus rapides. Dans certaines batteries, c'est le processus le plus lent, ce qui signifie que l'amélioration du mouvement du lithium à travers les électrodes pourrait se traduire par des batteries qui peuvent être rechargées beaucoup plus rapidement.

"Lorsque les électrodes sont relativement épaisses, le transport des ions lithium à travers le matériau poreux et l'architecture du séparateur peut limiter les taux de charge et de décharge, " a déclaré Gary Koenig, professeur agrégé de génie chimique à UVA Engineering. « Développer des méthodes pour améliorer le transport des ions lithium à travers les régions vides poreuses d'une électrode remplies d'électrolyte, nous devons d'abord être en mesure de suivre le transport et la distribution des ions dans une cellule pendant les processus de charge et de décharge."

Selon Koenig, d'autres techniques telles que la diffraction des rayons X à haute résolution peuvent fournir des données structurelles détaillées au cours des processus électrochimiques, mais cette méthode moyenne généralement des volumes relativement importants de la matière. De la même manière, L'imagerie de phase aux rayons X peut visualiser les concentrations de sel dans les électrolytes de la batterie, mais la technique nécessite une cellule spectrochimique spéciale et ne peut accéder aux informations de composition qu'entre les régions d'électrode.

Pour obtenir des informations détaillées sur une zone plus large, les chercheurs ont mené leurs études en utilisant des neutrons sur la ligne de faisceau d'imagerie à neutrons froids du réacteur isotopique à haut flux d'Oak Ridge.

"Le lithium a un grand coefficient d'absorption pour les neutrons, ce qui signifie que les neutrons traversant un matériau sont très sensibles à ses concentrations en lithium, " a déclaré Ziyang Nie, auteur principal et étudiant diplômé du groupe de Koenig. « Nous avons démontré que nous pouvions utiliser des radiographies neutroniques pour suivre la lithiation in situ dans des cathodes à oxyde métallique minces et épaisses à l'intérieur des cellules de batterie. Parce que les neutrons sont très pénétrants, nous n'avons pas eu à construire de cellules personnalisées pour l'analyse et avons pu suivre le lithium sur toute la région active contenant à la fois des électrodes et de l'électrolyte. »

La comparaison du processus de lithiation dans des électrodes minces et épaisses est essentielle pour aider à comprendre les effets de l'hétérogénéité - variations locales de la mécanique, de construction, propriétés de transport et cinétiques—sur la durée de vie et les performances de la batterie. L'hétérogénéité locale peut également entraîner un courant de batterie non uniforme, températures, état de charge et de vieillissement. Typiquement, lorsque l'épaisseur d'une électrode augmente, il en va de même des effets néfastes de l'hétérogénéité sur les performances de la batterie. Encore, si des anodes et des cathodes plus épaisses pouvaient être utilisées dans les batteries sans impacter d'autres facteurs, il contribuerait à augmenter les capacités de stockage d'énergie.

Pour les premières expériences, les échantillons d'électrodes minces avaient des épaisseurs de 0,738 mm pour le titanate de lithium et de 0,463 mm pour l'oxyde de lithium cobalt, tandis que les échantillons épais de titanate de lithium et d'oxyde de cobalt-lithium mesuraient 0,886 mm et 0,640 mm, respectivement.

"Notre objectif immédiat est de développer un modèle pour nous aider à comprendre comment modifier la structure d'une électrode, comme changer la façon dont le matériel est orienté ou distribué, pourrait améliorer les propriétés de transport des ions, " Koenig a déclaré. « En imagerie à travers chaque échantillon à différents moments, nous avons pu créer des cartes 2D de la distribution du lithium. À l'avenir, nous prévoyons de faire tourner nos échantillons dans le faisceau de neutrons pour fournir des informations en 3D qui révéleront plus en détail l'impact de l'hétérogénéité sur le transport des ions."