Les particules qui composent les électrodes des batteries lithium-ion sont microscopiques mais puissantes :elles déterminent la quantité de charge que la batterie peut stocker, la vitesse à laquelle il se charge et se décharge et sa tenue dans le temps, autant d'éléments cruciaux pour la haute performance d'un véhicule électrique ou d'un appareil électronique.

Les fissures et les réactions chimiques à la surface d'une particule peuvent dégrader les performances, et la capacité de la particule entière à absorber et à libérer des ions lithium change également avec le temps. Les scientifiques ont étudié les deux, mais jusqu'à présent, ils n'avaient jamais regardé à la fois la surface et l'intérieur d'une particule individuelle pour voir comment ce qui se passe dans l'une affecte l'autre.

Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche dirigée par Yijin Liu au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie a fait cela. Ils ont collé une seule particule de cathode de batterie, de la taille d'un globule rouge, sur une pointe d'aiguille et sondé sa surface et son intérieur en 3D avec deux instruments à rayons X. Ils ont découvert que les fissures et les changements chimiques à la surface de la particule variaient beaucoup d'un endroit à l'autre et correspondaient à des zones de fissures microscopiques profondément à l'intérieur de la particule qui sapaient sa capacité à stocker de l'énergie.

"Nos résultats montrent que la surface et l'intérieur d'une particule se parlent, essentiellement, " a déclaré Yijin Liu, scientifique en chef du SLAC, qui a dirigé l'étude à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du laboratoire. « Comprendre cette conversation chimique nous aidera à concevoir toute la particule afin que la batterie puisse cycler plus rapidement, par exemple."

Les scientifiques décrivent leurs découvertes dans Communication Nature aujourd'hui.

Dommage aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur

Une batterie lithium-ion stocke et libère de l'énergie en déplaçant les ions lithium à travers un électrolyte dans les deux sens entre deux électrodes, l'anode et la cathode. Lorsque vous chargez la batterie, les ions lithium se précipitent dans l'anode pour y être stockés. Lorsque vous utilisez la batterie, les ions quittent l'anode et s'écoulent dans la cathode, où ils génèrent un flux de courant électrique.

Chaque électrode est constituée de nombreuses particules microscopiques, et chaque particule contient des grains encore plus petits. Leur structure et leur chimie sont essentielles aux performances de la batterie. Au fur et à mesure que la batterie se charge et se décharge, les ions lithium s'infiltrent dans et hors des espaces entre les atomes des particules, les faisant gonfler et rétrécir. Au fil du temps, cela peut fissurer et casser des particules, réduisant leur capacité à absorber et à libérer des ions. Les particules réagissent également avec l'électrolyte environnant pour former une couche de surface qui gêne l'entrée et la sortie des ions. Au fur et à mesure que les fissures se développent, l'électrolyte pénètre plus profondément pour endommager l'intérieur.

Cette étude s'est concentrée sur des particules constituées d'un oxyde en couches riche en nickel, qui peut théoriquement stocker plus de charge que les matériaux de batterie d'aujourd'hui. Il contient également moins de cobalt, le rendant moins cher et moins problématique sur le plan éthique, étant donné que certaines mines de cobalt impliquent des conditions inhumaines, dit Liu.

Il n'y a qu'un seul problème :la capacité des particules à stocker la charge s'estompe rapidement au cours de plusieurs cycles de charge haute tension, le type utilisé pour charger rapidement les véhicules électriques.

"Vous avez des millions de particules dans une électrode. Chacune est comme une boule de riz avec de nombreux grains, " a déclaré Liu. " Ce sont les éléments constitutifs de la batterie, et chacun est unique, tout comme chaque personne a des caractéristiques différentes."

Apprivoiser un matériau de nouvelle génération

Liu a déclaré que les scientifiques ont travaillé sur deux approches de base pour minimiser les dommages et augmenter les performances des particules :mettre un revêtement protecteur sur la surface et emballer les grains de différentes manières pour modifier la structure interne. "L'une ou l'autre approche pourrait être efficace, " Liu a dit, "mais les combiner serait encore plus efficace, et c'est pourquoi nous devons aborder la situation dans son ensemble."

Shaofeng Li, un étudiant diplômé invité à la SSRL qui rejoindra le SLAC en tant que chercheur postdoctoral, mené des expériences aux rayons X qui ont examiné une seule particule cathodique montée sur une aiguille à partir d'une batterie chargée avec deux instruments, l'un balayant la surface, l'autre sondant l'intérieur. Sur la base des résultats, théoriciens dirigés par Kejie Zhao, professeur agrégé à l'Université Purdue, développé un modèle informatique montrant comment la charge aurait endommagé la particule sur une période de 12 minutes et comment ce modèle de dommages reflète les interactions entre la surface et l'intérieur.

"L'image que nous obtenons est qu'il y a des variations partout dans la particule, " dit Liu. " Par exemple, certaines zones de la surface se dégradent plus que d'autres, et cela affecte la façon dont l'intérieur réagit, ce qui à son tour fait que la surface se dégrade d'une manière différente."

Maintenant, il a dit, l'équipe prévoit d'appliquer cette technique à d'autres matériaux d'électrode qu'elle a étudiés dans le passé, avec une attention particulière à la façon dont la vitesse de charge affecte les modèles de dommages. "Vous voulez pouvoir recharger votre voiture électrique en 10 minutes plutôt qu'en plusieurs heures, " il a dit, "C'est donc une direction importante pour les études de suivi."