L'équipe d'Argonne développe une technique puissante pour sonder en trois dimensions la structure cristalline des matériaux cathodiques à l'échelle nanométrique.

L'une des nombreuses forces du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) est sa capacité à rassembler des équipes multidisciplinaires approfondies et larges pour résoudre des problèmes scientifiques complexes. Ces équipes ont à leur disposition une multitude d'installations de classe mondiale pour mener des recherches, y compris l'Advanced Photon Source (APS) - une installation utilisateur du DOE Office of Science qui fournit une luminosité ultra-lumineuse, faisceaux de rayons X à haute énergie pour la recherche de pointe sur les matériaux.

L'une de ces équipes d'Argonne a développé une nouvelle technique puissante pour sonder en trois dimensions la microstructure cristalline des matériaux cathodiques des batteries de nouvelle génération. De telles batteries pourraient un jour révolutionner le stockage d'énergie pour les transports et le réseau électrique.

"Notre projet a demandé une équipe multidisciplinaire avec une expertise en matériaux et chimie des batteries, diffusion des rayons X, programmation informatique et analyse de données complexes - une expertise facilement disponible à Argonne, " a déclaré Raymond Osborn, co-chercheur principal de ce projet dans la division Science des matériaux d'Argonne avec Stephan Rosenkranz. "C'est un exemple parfait de science à grande échelle, tirer parti de l'équipe multidisciplinaire d'Argonne et de ses installations de classe mondiale pour résoudre des problèmes complexes ayant un impact potentiel sur la société."

L'équipe comprenait des chercheurs de quatre divisions d'Argonne :Science des matériaux, Sciences et génie chimique, Science des données et apprentissage et science des rayons X. Le stagiaire postdoctoral Matthew Krogstad dans la division Science des matériaux était responsable des innovations clés qui ont rendu possible le succès du projet.

L'utilisation des faisceaux de rayons X à haute énergie disponibles uniquement dans les installations de synchrotron telles que l'APS et la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) situées à l'Université Cornell a également été la clé du succès. « Rayons X à très haute énergie, tels que ceux disponibles à l'APS, pénétrer profondément dans le matériau cathodique, rendre possible ces mesures de pointe, " a déclaré Jonathan Lang, directeur de la division APS X-ray Science.

Le fruit de ce projet multidisciplinaire est un nouvel outil important pour sonder ce qui se passe pendant le processus d'"intercalation", l'insertion d'ions entre les couches d'une cathode lorsqu'une batterie génère de l'électricité. Ce processus suit la "désintercalation", c'est-à-dire l'extraction de ces mêmes ions de la cathode lorsqu'une batterie est en charge.

La batterie lithium-ion classique fonctionne selon ce procédé. Dans la recherche de meilleurs matériaux de cathode, les scientifiques ont utilisé la diffraction des rayons X et des électrons pour déterminer comment les ions lithium ou d'autres intercalants peuvent développer des structures ordonnées à longue distance. De telles structures entravent le mouvement des ions métalliques à l'intérieur de la cathode, empêchant ainsi leur extraction et leur insertion pendant le cycle et diminuant les performances de la batterie.

Caché à la vue jusqu'à maintenant, cependant, a été l'ordre à courte portée, qui perturbe également la mobilité ionique, mais ne peut pas être observé par les techniques de diffraction conventionnelles.

« La commande à courte distance est extrêmement difficile à mesurer et encore plus difficile à modéliser, " Osborn a noté, "mais les progrès récents des sources synchrotron permettent désormais d'utiliser de nouvelles techniques pour visualiser les résultats et surveiller en détail les corrélations ioniques en fonction de la température."

L'équipe de recherche a d'abord préparé un monocristal d'un matériau cathodique en couche d'oxyde de vanadium avec des ions sodium insérés. Ils ont choisi ce matériau car les batteries sodium-ion sont considérées comme une alternative aux batteries lithium-ion en raison de la plus grande abondance et du moindre coût du sodium.

Chez APS et CHES, les membres de l'équipe ont ensuite mesuré la diffusion des rayons X à haute énergie du cristal et déterminé les corrélations à courte distance entre les ions sodium dans la structure cristalline à différentes températures. A partir de ces mesures, ils ont déterminé la probabilité de savoir si chaque site atomique possible au sein de la structure cristalline était occupé par un atome ou non, en utilisant une méthode connue sous le nom de "3-D-ΔPDF".

"Les données sont d'une telle qualité que ces cartes de probabilité 3D ressemblent à des images à l'échelle atomique, " a déclaré Krogstad. " Vous pouvez voir où se trouvent les ions sodium sans avoir à effectuer d'analyse compliquée. Nous avons été stupéfaits lorsque nous avons vu pour la première fois à quel point les résultats étaient intuitifs à comprendre."

Ces "images" tridimensionnelles ont révélé que les ions sodium forment un motif en zigzag dans des colonnes séparées parmi les atomes d'oxyde de vanadium (voir figure). Cet ordre atomique au sein de la structure cristalline augmente avec la diminution de la température en dessous de la température ambiante. Dans une batterie au sodium, les ions diffuseraient le long des voies en zigzag.

"Plus la perturbation dans ce motif en zigzag est grande, " expliqua Osborn, "Mieux pour la mobilité des ions. Et meilleure est la mobilité des ions, meilleure est la performance du matériau cathodique."

"Ces résultats permettent de mieux comprendre comment les transitions ordre-désordre limitent la mobilité des ions sodium, " Rosenkranz a déclaré. " Les chercheurs pourraient également utiliser de telles mesures pour évaluer l'efficacité des stratégies visant à diminuer ces effets négatifs et ainsi améliorer les performances de la cathode. "

« Alors que nos recherches se sont concentrées sur un matériau de cathode sélectionné dans une batterie sodium-ion, " a ajouté Rosenkranz, "notre méthode s'applique à l'étude de l'ordre à courte distance dans de nombreux autres matériaux cristallins avec une variété d'applications technologiques en fonction de la température ou d'autres variables."

Cette recherche est apparue dans Matériaux naturels , "Imagerie spatiale réciproque des corrélations ioniques dans les composés d'intercalation."