Les scientifiques des matériaux qui étudient les fondamentaux de la recharge ont fait une découverte étonnante qui pourrait ouvrir la porte à de meilleures batteries, des catalyseurs plus rapides et d'autres progrès de la science des matériaux.

Des scientifiques de l'Université de Californie à San Diego et du Laboratoire national de l'Idaho ont examiné les premières étapes de la recharge du lithium et ont appris que lent, la charge à faible énergie amène les électrodes à collecter les atomes de manière désorganisée, ce qui améliore le comportement de charge. Ce lithium « vitreux » non cristallin n'avait jamais été observé, et la création de tels métaux amorphes a traditionnellement été extrêmement difficile.

Les résultats suggèrent des stratégies pour affiner les approches de recharge pour augmenter la durée de vie de la batterie et, plus intrigant, pour fabriquer des métaux vitreux pour d'autres applications. L'étude a été publiée le 27 juillet dans Matériaux naturels .

Charge connue, inconnues

Le lithium métal est une anode préférée pour les batteries rechargeables à haute énergie. Pourtant, le processus de recharge (dépôt d'atomes de lithium sur la surface de l'anode) n'est pas bien compris au niveau atomique. La façon dont les atomes de lithium se déposent sur l'anode peut varier d'un cycle de recharge à l'autre, entraînant une recharge irrégulière et une durée de vie réduite de la batterie.

L'équipe INL/UC de San Diego s'est demandé si les modèles de recharge étaient influencés par la première congrégation des premiers atomes, un processus connu sous le nom de nucléation.

"Cette nucléation initiale peut affecter les performances de votre batterie, sécurité et fiabilité, " dit Gorakh Pawar, un scientifique de l'INL et l'un des deux auteurs principaux de l'article.

Regarder les embryons de lithium se former

Les chercheurs ont combiné des images et des analyses d'un puissant microscope électronique avec un refroidissement à l'azote liquide et une modélisation informatique. La microscopie électronique cryo-étatique leur a permis de voir la création d'"embryons" de lithium métal, " et les simulations informatiques ont aidé à expliquer ce qu'ils ont vu.

En particulier, ils ont découvert que certaines conditions créaient une forme de lithium moins structurée qui était amorphe (comme le verre) plutôt que cristalline (comme le diamant).

"La puissance de l'imagerie cryogénique pour découvrir de nouveaux phénomènes en science des matériaux est présentée dans ce travail, " a déclaré Shirley Meng, auteur et chercheur correspondant qui a dirigé les travaux pionniers de cryo-microscopie de l'UC San Diego. Meng est professeur de nano-ingénierie, et directeur du Sustainable Power and Energy Center de l'UC San Diego, et l'Institut pour la découverte et la conception des matériaux. Les données d'imagerie et spectroscopiques sont souvent alambiquées, elle a dit. « Un véritable travail d'équipe nous a permis d'interpréter les données expérimentales en toute confiance, car la modélisation informatique a aidé à déchiffrer la complexité. »

Une surprise vitreuse

Les métaux élémentaires amorphes purs n'avaient jamais été observés auparavant. Ils sont extrêmement difficiles à produire, des mélanges métalliques (alliages) sont donc généralement nécessaires pour obtenir une configuration "vitreuse", qui confère de puissantes propriétés matérielles.

Lors de la recharge, les embryons vitreux de lithium étaient plus susceptibles de rester amorphes tout au long de la croissance. En étudiant quelles conditions ont favorisé la nucléation vitreuse, l'équipe a de nouveau été surprise.

"Nous pouvons fabriquer du métal amorphe dans des conditions très douces à un taux de charge très lent, " a déclaré Boryann Liaw, un membre de la direction de l'INL et l'INL dirigent les travaux. "C'est assez surprenant."

Ce résultat était contre-intuitif car les experts supposaient que des vitesses de dépôt lentes permettraient aux atomes de se frayer un chemin dans un ordre, lithium cristallin. Pourtant, les travaux de modélisation ont expliqué comment la cinétique de réaction entraîne la formation vitreuse. L'équipe a confirmé ces résultats en créant des formes vitreuses de quatre métaux plus réactifs qui sont attrayants pour les applications de batterie.

Les résultats de la recherche pourraient aider à atteindre les objectifs du consortium Battery500, une initiative du ministère de l'Énergie qui a financé la recherche. Le consortium vise à développer des batteries de véhicules électriques commercialement viables avec une énergie spécifique au niveau des cellules de 500 Wh/kg. Plus, cette nouvelle compréhension pourrait conduire à des catalyseurs métalliques plus efficaces, des revêtements métalliques plus résistants et d'autres applications qui pourraient bénéficier des métaux vitreux.