Les premières heures de vie d'une batterie lithium-ion déterminent en grande partie ses performances. Dans ces moments-là, un ensemble de molécules s'auto-assemble en une structure à l'intérieur de la batterie qui affectera la batterie pour les années à venir.

Ce composant, connu sous le nom d'interphase à électrolyte solide ou SEI, a pour mission cruciale de bloquer certaines particules tout en laissant passer d'autres, comme un videur de taverne rejetant les indésirables tout en laissant entrer les paillettes. La structure a été une énigme pour les scientifiques qui l'ont étudiée pendant des décennies. Les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques pour en savoir plus, mais jamais, jusqu'à présent, ils n'avaient été témoins de sa création au niveau moléculaire.

En savoir plus sur le SEI est une étape cruciale sur la voie de la création plus énergique, des batteries lithium-ion plus durables et plus sûres.

L'ouvrage publié le 27 janvier dans Nature Nanotechnologie a été réalisée par une équipe internationale de scientifiques dirigée par des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis et du U.S. Army Research Laboratory. Les auteurs correspondants incluent Zihua Zhu, Chongmin Wang et Zhijie Xu du PNNL et Kang Xu du laboratoire de recherche de l'armée américaine.

Pourquoi les batteries lithium-ion fonctionnent-elles :le SEI

L'interphase à électrolyte solide est un film très mince de matériau qui n'existe pas lors de la construction d'une batterie. Ce n'est que lorsque la batterie est chargée pour la première fois que les molécules s'agrègent et réagissent électrochimiquement pour former la structure, qui agit comme une passerelle permettant aux ions lithium de faire des allers-retours entre l'anode et la cathode. Surtout, le SEI oblige les électrons à faire un détour, qui maintient la batterie en fonctionnement et permet le stockage d'énergie.

C'est à cause du SEI que nous avons des batteries lithium-ion pour alimenter nos téléphones portables, ordinateurs portables et véhicules électriques.

Mais les scientifiques doivent en savoir plus sur cette structure de passerelle. Quels facteurs séparent les paillettes de la racaille dans une batterie lithium-ion ? Quels produits chimiques doivent être inclus dans l'électrolyte, et dans quelles concentrations, pour que les molécules se forment dans les structures SEI les plus utiles afin qu'elles n'absorbent pas continuellement les molécules de l'électrolyte, nuire aux performances de la batterie ?

Les scientifiques travaillent avec une variété d'ingrédients, prédire comment ils vont se combiner pour créer la meilleure structure. Mais sans plus de connaissances sur la façon dont l'interphase solide-électrolyte est créée, les scientifiques sont comme des chefs jonglant avec des ingrédients, travailler avec des livres de cuisine qui ne sont que partiellement écrits.

Explorer les batteries lithium-ion avec une nouvelle technologie

Pour aider les scientifiques à mieux comprendre le SEI, l'équipe a utilisé la technologie brevetée de PNNL pour analyser la structure au fur et à mesure de sa création. Les scientifiques ont utilisé un faisceau d'ions énergétiques pour creuser un tunnel dans un SEI en train de se former dans une batterie en fonctionnement, envoyer une partie du matériau en suspension dans l'air et le capturer pour analyse tout en s'appuyant sur la tension de surface pour aider à contenir l'électrolyte liquide. Ensuite, l'équipe a analysé les composants SEI à l'aide d'un spectromètre de masse.

L'approche brevetée, dite spectrométrie de masse à ions secondaires liquides in situ ou SIMS liquide, a permis à l'équipe d'avoir un aperçu sans précédent du SEI au fur et à mesure de sa formation et d'éviter les problèmes présentés par une batterie lithium-ion en état de marche. La technologie a été créée par une équipe dirigée par Zhu, en s'appuyant sur les travaux antérieurs du SIMS de Xiao-Ying Yu, collègue du PNNL.

"Notre technologie nous donne une solide compréhension scientifique de l'activité moléculaire dans cette structure complexe, ", a déclaré Zhu. "Les résultats pourraient potentiellement aider d'autres personnes à adapter la chimie de l'électrolyte et des électrodes pour fabriquer de meilleures batteries."

Des chercheurs de l'armée américaine et du PNNL collaborent

L'équipe du PNNL connectée avec Kang Xu, chercheur au U.S. Army Research Laboratory et expert en électrolyte et SEI, et ensemble ils ont abordé la question.

Les scientifiques ont confirmé ce que les chercheurs ont suspecté, à savoir que le SEI est composé de deux couches. Mais l'équipe est allée beaucoup plus loin, spécifier la composition chimique précise de chaque couche et déterminer les étapes chimiques qui se produisent dans une batterie pour amener la structure.

L'équipe a découvert qu'une couche de la structure, à côté de l'anode, est mince mais dense; c'est la couche qui repousse les électrons mais laisse passer les ions lithium. La couche externe, juste à côté de l'électrolyte, est plus épais et médie les interactions entre le liquide et le reste du SEI. La couche intérieure est un peu plus dure et l'extérieur plus tard est plus liquide, un peu comme la différence entre les flocons d'avoine pas assez cuits et trop cuits.

Le rôle du fluorure de lithium

L'un des résultats de l'étude est une meilleure compréhension du rôle du fluorure de lithium dans l'électrolyte utilisé dans les batteries lithium-ion. Plusieurs chercheurs, y compris Kang Xu, ont montré que les batteries avec des SEI plus riches en fluorure de lithium fonctionnent mieux. L'équipe a montré comment le fluorure de lithium fait partie de la couche interne du SEI, et les résultats offrent des indices sur la façon d'incorporer plus de fluor dans la structure.

« Avec cette technique, vous apprenez non seulement quelles molécules sont présentes mais aussi comment elles sont structurées, " dit Wang. " C'est la beauté de cette technologie. "