Des chercheurs du Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) ont visualisé la formation d'une interphase d'électrolyte solide sur des matériaux d'électrode carbonés de qualité batterie en utilisant la microscopie à force atomique (AFM) in situ. Cela aidera les chercheurs à concevoir et à construire des batteries avec des performances et une durabilité supérieures.

Une interphase d'électrolyte solide (SEI) est une fine couche de produits de réduction d'électrolyte formée à la surface d'une anode de batterie lithium-ion pendant plusieurs cycles initiaux. Il empêche la décomposition ultérieure de l'électrolyte, stabiliser l'interface électrode/électrolyte, et assure une longue durée de vie de la batterie. Former un film SEI demande du temps et de l'énergie, et sa qualité régit en grande partie les performances et la durabilité de la batterie :un SEI mal formé entraîne une dégradation rapide des performances de la batterie.

Toujours, la formation du SEI reste mal comprise, et les scientifiques utilisent la microscopie à force atomique in situ qui permet une observation directe de ce processus. Jusqu'à maintenant, la plupart de ces mesures ont été réalisées sur du graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG), une forme très pure et ordonnée de graphite qui a une surface plane basale propre et atomiquement plate. Cependant, HOPG est un mauvais remplacement pour les matériaux d'électrodes de qualité batterie, le processus est donc très différent de ce qui se passe à l'intérieur d'une batterie commerciale.

Une équipe Skoltech dirigée par le chercheur Sergey Luchkin et le professeur Keith Stevenson a réussi à visualiser la formation de SEI sur des matériaux de qualité batterie. Pour ça, ils ont dû concevoir une cellule électrochimique permettant les mesures nécessaires à cette observation directe de la formation de SEI.

"Les matériaux de qualité batterie sont des poudres, et la visualisation des processus dynamiques à leur surface par AFM, surtout en milieu liquide, met au defie. Une électrode de batterie standard est trop grossière pour de telles mesures, et les particules isolées ont tendance à se détacher du substrat pendant le balayage. Pour surmonter ce problème, nous avons noyé les particules dans de la résine époxy et réalisé une coupe transversale, les particules étaient donc solidement fixées dans le substrat, " dit Luchkine.

Les chercheurs ont découvert que le SEI sur les matériaux de qualité batterie nucléait à un potentiel différent de celui sur HOPG. Il était également plus de deux fois plus épais et plus résistant mécaniquement. Finalement, ils ont pu démontrer que le SEI était mieux lié à la surface rugueuse du graphite de qualité batterie qu'à la surface plane du HOPG.

"Les études spatialement résolues des interfaces de batterie et des interphases détaillées dans ce travail fournissent de nouvelles informations importantes sur la structure et l'évolution de l'anode SEI. Par conséquent, ils fournissent des directives fermes pour la conception rationnelle de l'électrolyte afin de permettre des batteries hautes performances avec une sécurité améliorée, " ajoute Stevenson.