A gauche, un modèle 3D réalisé par des scientifiques des matériaux de l'Université Rice montre une limite de phase lorsqu'une cathode de lithium fer phosphate en cours de délithiation subit une décharge rapide. A droite, une coupe transversale montre la frontière "en forme de doigt" entre le phosphate de fer (bleu) et le lithium (rouge). Les ingénieurs de Rice ont découvert que trop de défauts intentionnels destinés à améliorer les batteries peuvent en fait dégrader leurs performances et leur endurance. Crédit : Groupe de science des matériaux à mésoéchelle/Université Rice
Des défauts intentionnels dans les batteries ont donné aux scientifiques de l'Université Rice une fenêtre sur les dangers de pousser trop loin les cellules lithium-ion.
Nouvelles simulations par le scientifique des matériaux de riz Ming Tang et l'étudiant diplômé Kaiqi Yang, détaillé dans le Journal de la chimie des matériaux A , montre que trop de contraintes dans les cathodes au lithium fer phosphate largement utilisées peuvent ouvrir des fissures et dégrader rapidement les batteries.
Le travail prolonge les recherches récentes de Rice qui ont démontré comment mettre des défauts dans les particules qui composent la cathode pourrait améliorer les performances de la batterie jusqu'à deux ordres de grandeur en aidant le lithium à se déplacer plus efficacement.
Mais l'étude de modélisation ultérieure du laboratoire a révélé une mise en garde. Sous la pression de la charge et de la décharge rapides, les cathodes chargées de défauts risquent de se briser.
"L'image conventionnelle est que le lithium se déplace uniformément dans la cathode, avec une région riche en lithium qui s'étend doucement au centre de la cathode, " dit Tang, professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie à la Brown School of Engineering de Rice.
Mais les images radiographiques prises dans un autre laboratoire ont montré autre chose. "Ils ont vu une frontière en forme de doigt entre les régions riches en lithium et pauvres en lithium, presque comme lorsque vous injectez de l'eau dans de l'huile, " dit-il. " Notre question était, qu'est-ce qui cause ça ?"
La racine du problème semble être que la contrainte déstabilise la frontière initialement plate et la fait devenir ondulée, dit Tang. Le changement de la forme de la limite augmente encore le niveau de contrainte et déclenche la formation de fissures. L'étude du groupe de Tang montre qu'une telle instabilité peut être augmentée par un type courant de défaut dans les composés de batterie appelés antisites, où les atomes de fer occupent des points dans le cristal où les atomes de lithium devraient être.
"Les antisites peuvent être une bonne chose, comme nous l'avons montré dans le dernier article, car ils accélèrent la cinétique d'intercalation du lithium, " Tang a dit, "Mais ici, nous montrons un contre-effet :trop d'antisites dans les particules encouragent l'interface mobile à devenir instable et donc à générer plus de stress."
Riz étudiant diplômé Kaiqi Yang, la gauche, et le scientifique des matériaux Ming Tang ont déterminé que la charge et la décharge rapides de certaines batteries lithium-ion présentant des défauts intentionnels dégradent leurs performances et leur endurance. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Tang pense qu'il y a un juste milieu pour le nombre d'antisites dans une cathode :assez pour améliorer les performances mais trop peu pour favoriser l'instabilité. "Vous voulez avoir un niveau de défauts convenable, et il faudra quelques essais et erreurs pour comprendre comment atteindre la bonne quantité en recuisant les particules, " dit-il. " Nous pensons que nos nouvelles prédictions pourraient être utiles aux expérimentateurs. "
