Des milliards de propriétaires de smartphones connaissent le symbole redouté de « batterie faible » sur leurs appareils. Alors que les consommateurs gémissent, les scientifiques travaillent pour comprendre pourquoi et quand les batteries lithium-ion dans les téléphones, véhicules électriques rechargeables, et d'autres applications perdent leur charge ou échouent.

L'un des meilleurs outils que les scientifiques utilisent dans cette enquête sont les rayons X des sources lumineuses avancées du ministère de l'Énergie (DOE). Ces sources lumineuses utilisent des faisceaux d'électrons pour produire des rayons X plus d'un milliard de fois plus puissants que ceux du cabinet dentaire. Par rapport aux rayons X plus faibles disponibles dans d'autres établissements, les sources lumineuses permettent aux chercheurs de recueillir plus de données avec plus de détails qu'ils ne pourraient le faire autrement. Les scientifiques utilisent ces outils uniques pour examiner le fonctionnement des batteries lithium-ion en temps réel.

Du laboratoire à la route

Dans les années 1990, les matériaux de batterie existants n'étaient tout simplement pas adaptés au niveau de puissance et de performance requis pour les véhicules électriques hybrides ou rechargeables. En réponse, les chercheurs du laboratoire national d'Argonne du DOE ont utilisé la source avancée de photons (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science, d'observer pour la première fois les interactions au sein des batteries au niveau atomique.

L'APS permet également aux scientifiques de surveiller ce qui se passe au niveau atomique pendant que les batteries se chargent et se déchargent. Avec cette compréhension, les fabricants peuvent améliorer les performances et la durée de vie des batteries et pourraient finalement fabriquer des véhicules électroniques et électriques rechargeables plus abordables et plus efficaces.

Les scientifiques le font en utilisant l'APS pour examiner les batteries in situ, ou pendant qu'ils travaillent réellement. Précédemment, les scientifiques ont fait des tests sur une batterie, démonté, et l'examina au microscope. En revanche, l'étude des batteries in situ leur permet à la fois d'observer les atomes se déplacer à l'intérieur de la batterie et de mesurer la stabilité de la structure moléculaire pendant le processus de charge et de décharge.

Une fois que les chercheurs soutenus par l'Office of Science ont défini les principes fondamentaux, ils ont transféré le travail à des scientifiques appliqués soutenus par l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE. Cette recherche a conduit à une nouvelle cathode pour les batteries lithium-ion qui était plus sûre, plus abordable, et capable de stocker plus d'énergie que jamais. (La cathode est l'électrode positive dans une cellule de batterie, qui accepte les ions lithium et les électrons de l'anode négative pendant la décharge ou l'utilisation.) En fait, ces progrès étaient si importants que Chevrolet a utilisé la cathode dans le premier véhicule électrique rechargeable du marché de masse, la Volt.

Rayons X :durs et mous

Les machines de sécurité de l'aéroport et l'APS produisent des radiographies « dures », qui sont plus énergétiques avec des longueurs d'onde plus courtes (moins de 1 nanomètre ou 1/100, 000e de l'épaisseur d'un morceau de papier). Les rayons X durs sont très efficaces pour pénétrer les matériaux et observer les structures atomiques.

En revanche, les rayons X "mous" sont de plus faible énergie avec des longueurs d'onde plus longues (1 à 10 nanomètres). Alors que leurs longueurs d'onde sont trop longues pour examiner les structures atomiques, ils fournissent "des informations chimiques vraiment exquises, " selon David Shapiro, un physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) du DOE. À l'aide de ces radiographies, les scientifiques peuvent examiner les états chimiques et les transformations de ces états au sein des nanomatériaux. La source lumineuse avancée au LBNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science, est l'une des sources les plus brillantes au monde de rayons X mous.

Chacune de ces sources lumineuses permet aux scientifiques d'étudier un aspect différent du puzzle lithium-ion.

"Chaque technique a une sorte de défaut par rapport à l'histoire complète, " dit Jason Croy, un scientifique des matériaux à Argonne. "[Mais] chaque technique peut être très puissante pour vous donner certaines informations."

En réalité, les chercheurs aiment relever le défi de rassembler les diverses découvertes.

"C'est un domaine formidable car il utilise les atouts de toutes les installations, " dit Shapiro.

Examiner les batteries sous tous les angles

Des scientifiques des laboratoires nationaux, les universités, et d'autres instituts de recherche utilisent les instruments exceptionnels des installations des utilisateurs pour approfondir les interactions du lithium. Le travail sur les trois sources lumineuses est soutenu par le Bureau des sciences du DOE.

Comprendre les luxations à Argonne :Les chercheurs d'Argonne s'appuient sur les travaux qui ont contribué à la cathode de la Chevrolet Volt. L'étude originale cherchait à comprendre la structure du lithium avec le manganèse et d'autres formes d'oxydes de métaux de transition avant qu'il ne subisse de multiples cycles de charge-décharge.

Maintenant, les scientifiques étudient comment la structure de la batterie se dégrade au fil du temps. Au fur et à mesure que la batterie se charge et se décharge, les ions lithium entrent et sortent de l'anode et de la cathode. Cependant, d'autres atomes à l'intérieur des électrodes se déplacent également, causant des dommages et réduisant la capacité de la batterie à fournir de l'énergie. En utilisant l'APS, les scientifiques ont examiné comment ces atomes uniques se déplacent et ont suivi comment la structure change avec l'utilisation.

Actuellement, les chercheurs modifient les structures des batteries et voient comment ces changements affectent les batteries. Idéalement, ces modifications augmenteront la stabilité des structures des batteries, minimiser la dégradation, et améliorer leurs performances.

Brookhaven voit les batteries en 5D :le Brookhaven National Laboratory (BNL) du DOE a récemment ajouté une autre dimension à la recherche sur les batteries. Ils ont développé le regard le plus complet à ce jour sur les batteries :une carte chimique en 3D à l'échelle nanométrique qui trace les changements au fil du temps.

Normalement, La spectroscopie aux rayons X produit des images 2D qui montrent la moyenne de ce qui se passe sur un échantillon entier. Il ne montre pas ce qui se passe dans les couches individuelles.

En revanche, l'équipe du BNL a combiné la National Synchrotron Light Source (NSLS) - alors une installation utilisateur du DOE - et un microscope à rayons X à transmission plein champ unique pour développer une nouvelle technique de nano-imagerie à rayons X. Les scientifiques ont fait pivoter les échantillons de batterie de 180 degrés sous des rayons X durs de différentes énergies de rayons X.

"C'est la première fois [nous pouvons] surveiller in situ la transformation de phase en 3D à l'échelle nanométrique dans une cellule de batterie en état de marche, " a déclaré Jun Wang, un physicien au BNL.

Wang et ses collègues poursuivront leur travail au NSLS-II, qui suivra le NSLS original. Le NSLS-II fournira à terme des faisceaux 10, 000 fois plus lumineux que son prédécesseur, permettant aux scientifiques d'étudier ces réactions à une échelle de temps encore plus fine.

Charge rapide contre charge lente à Lawrence Berkeley :les chercheurs du LBNL examinent le même problème, mais d'un point de vue différent et en utilisant une machine différente. En utilisant les rayons X mous de la source lumineuse avancée (ALS), ils examinent comment la vitesse de chargement et si une batterie se charge ou se décharge affecte la distribution et le transport des ions.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Stanford, travailler avec LBNL, construit une batterie transparente à l'échelle nanométrique qui a un dix-milliardième de la charge d'un smartphone. Il leur permet d'observer le mouvement des ions lithium individuels.

Idéalement, les ions doivent se répartir uniformément sur les électrodes lorsqu'ils se déplacent d'avant en arrière. Malheureusement, ils ne le font pas, provoquant du stress à certains endroits.

L'équipe a découvert que la charge lente entraînait en fait une distribution plus irrégulière que la charge rapide. C'était surprenant, considérant que la charge rapide est généralement considérée comme plus nocive pour la batterie. Ils ont également constaté que la charge de la batterie provoquait une distribution plus inégale que la décharge, ou en utilisant la batterie, Est-ce que.

Fort de cette recherche, Les scientifiques du LBNL pourraient être en mesure de réduire une source de dommages aux batteries, améliorer leurs performances et leur durée de vie.