Les chercheurs ont mis au point une méthode de visualisation qui déterminera la distribution des composants dans les électrodes de batterie en utilisant la microscopie à force atomique. La méthode fournit des informations sur les conditions optimales des électrodes composites et nous rapproche un peu plus de la possibilité de fabriquer des batteries tout solide de nouvelle génération.

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les appareils intelligents et les véhicules. Cependant, leur inflammabilité en fait un problème de sécurité, résultant d'une fuite potentielle d'électrolytes liquides.

Les batteries lithium-ion tout solide sont apparues comme une alternative en raison de leur meilleure sécurité et de leur stabilité électrochimique plus large. Malgré leurs avantages, les batteries lithium-ion tout solide présentent encore des inconvénients tels qu'une conductivité ionique limitée, zones de contact insuffisantes, et une résistance interfaciale élevée entre l'électrode et l'électrolyte solide.

Pour résoudre ces problèmes, des études ont été menées sur des électrodes composites dans lesquelles des additifs conducteurs d'ions lithium sont dispersés en tant que milieu pour fournir des chemins conducteurs d'ions à l'interface et augmenter la conductivité ionique globale.

Il est très important d'identifier la forme et la répartition des composants utilisés dans les matières actives, conducteurs d'ions, reliures, et des additifs conducteurs à l'échelle microscopique pour améliorer considérablement les performances de fonctionnement de la batterie.

La méthode développée est capable de distinguer les régions de chaque composant en fonction de la sensibilité du signal détecté, en utilisant divers modes de microscopie à force atomique sur une base multi-échelle, y compris la microscopie de contrainte électrochimique et la microscopie à force latérale.

Pour ce projet de recherche, des électrodes conventionnelles et des électrodes composites ont été testées, et les résultats ont été comparés. Des régions individuelles ont été distinguées et une corrélation à l'échelle nanométrique entre la distribution de la réactivité des ions et la distribution de la force de friction au sein d'une seule région a été déterminée pour examiner l'effet de la distribution du liant sur la contrainte électrochimique.

L'équipe de recherche a exploré la dépendance de l'amplitude/phase de la microscopie de contrainte électrochimique et de la force de friction de la microscopie à force latérale à la tension d'entraînement CA et à la force de chargement de la pointe, et utilisé leurs sensibilités comme marqueurs pour chaque composant de l'anode composite.

Cette méthode permet une observation multi-échelle directe de l'électrode composite en condition ambiante, distinguer divers composants et mesurer leurs propriétés simultanément.

L'auteur principal, le Dr Hongjun Kim, a déclaré :"Il est facile de préparer l'échantillon de test pour l'observation tout en offrant une résolution spatiale et une résolution d'intensité beaucoup plus élevées pour les signaux détectés." Il ajouta, "La méthode a également l'avantage de fournir des informations sur la morphologie de surface en 3D des spécimens observés."

Le professeur Seungbum Hong du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux a déclaré :"Cette technique analytique utilisant la microscopie à force atomique sera utile pour comprendre quantitativement quel rôle chaque composant d'un matériau composite joue dans les propriétés finales."

"Notre méthode suggérera non seulement la nouvelle direction pour la conception de batteries entièrement à semi-conducteurs de nouvelle génération à plusieurs échelles, mais jettera également les bases de l'innovation dans le processus de fabrication d'autres matériaux électrochimiques."