Les ingénieurs s'efforcent de concevoir des smartphones avec des batteries plus durables, des véhicules électriques pouvant parcourir des centaines de kilomètres avec une seule charge, et un réseau électrique fiable qui peut stocker de l'énergie renouvelable pour une utilisation future. Chacune de ces technologies est à portée de main, c'est-à-dire si les scientifiques peuvent construire de meilleurs matériaux de cathode.

À ce jour, la stratégie typique pour améliorer les matériaux cathodiques a été de modifier leur composition chimique. Mais maintenant, Des chimistes du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont fait une nouvelle découverte sur les performances des batteries qui indique une stratégie différente pour l'optimisation des matériaux cathodiques. Leurs recherches, Publié dans Chimie des Matériaux et présenté dans Choix de la rédaction d'ACS , se concentre sur le contrôle de la quantité de défauts structurels dans le matériau de la cathode.

"Au lieu de changer la composition chimique de la cathode, nous pouvons modifier l'arrangement de ses atomes, " a déclaré l'auteur correspondant Peter Khalifah, chimiste au Brookhaven Lab et à l'Université Stony Brook.

Aujourd'hui, la plupart des matériaux cathodiques sont composés de couches alternées d'ions lithium et de métaux de transition, comme le nickel. Au sein de cette structure en couches, un petit nombre de défauts peuvent généralement être trouvés. Cela signifie que des atomes d'un métal de transition peuvent être trouvés là où un ion lithium est censé être et vice versa.

"Vous pouvez considérer un défaut comme une 'erreur' dans la perfection de la structure du matériau, " a déclaré Khalifah. " Il est connu que de nombreux défauts entraîneront de mauvaises performances de la batterie, mais ce que nous avons appris, c'est qu'un petit nombre de défauts devrait en fait améliorer les propriétés clés."

Khalifah dit qu'un bon matériau de cathode aura deux propriétés :la conductivité ionique (les ions lithium peuvent bien se déplacer) et la conductivité électronique (les électrons peuvent bien se déplacer).

"La présence d'un défaut revient à percer un trou entre les couches d'ions lithium et de métal de transition dans la cathode, " dit-il. " Au lieu d'être confiné à deux dimensions, les ions lithium et les électrons peuvent se déplacer en trois dimensions à travers les couches."

Pour tirer cette conclusion, les scientifiques devaient mener des expériences de haute précision qui mesuraient la concentration de défauts dans un matériau de cathode avec une précision bien plus grande que jamais auparavant.

"La concentration de défauts dans un matériau cathodique peut varier entre deux et cinq pour cent, " a dit Khalifah. " Avant, les défauts ne pouvaient être mesurés qu'avec une sensibilité d'environ un pour cent. Dans cette étude, nous avons mesuré la concentration de défauts avec une précision exquise, une sensibilité d'un dixième de pour cent."

Pour atteindre cette précision, les scientifiques ont effectué des analyses de diffraction de poudre en utilisant les données de deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science, la source avancée de photons (APS) au laboratoire national d'Argonne du DOE et la source de neutrons de spallation (SNS) au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE.

La diffraction de poudre est une technique de recherche puissante qui révèle l'emplacement d'atomes individuels dans un matériau en dirigeant des faisceaux de rayons X, neutrons, ou des électrons sur le matériau et étudier la diffraction des faisceaux. Dans cette étude, les scientifiques ont effectué des mesures aux rayons X à l'APS et des mesures aux neutrons au SNS.

"Ce travail a développé une nouvelle façon de visualiser les défauts structurels et leur relation avec la diffraction et la force de diffusion, " dit Saul Lapidus, un physicien de la Division des sciences des rayons X de l'APS. "Je m'attends à ce qu'à l'avenir cette technique soit couramment utilisée dans la communauté des batteries pour comprendre les défauts et les caractérisations structurelles des matériaux cathodiques."

Khalifa a ajouté, "la capacité de mesurer la concentration d'éléments faiblement diffusants avec une sensibilité d'un dixième de pour cent sera également utile pour de nombreux autres domaines de recherche, telles que la mesure des lacunes d'oxygène dans les matériaux supraconducteurs ou les catalyseurs."

Avec des mesures aussi précises des concentrations de défauts, les scientifiques pourraient alors étudier la relation entre les défauts et la chimie des matériaux cathodiques.

Finalement, ils ont développé une "recette" pour atteindre n'importe quelle concentration de défauts, lequel, à l'avenir, pourrait guider les scientifiques à synthétiser des cathodes à partir de matériaux plus abordables et respectueux de l'environnement, puis à ajuster leurs concentrations de défauts pour des performances optimales de la batterie.