Des smartphones de nouvelle génération aux voitures électriques à plus longue autonomie et à un réseau électrique amélioré, de meilleures batteries stimulent l'innovation technologique. Et pour pousser les batteries au-delà de leurs performances actuelles, les chercheurs veulent voir "sous le capot" pour apprendre comment les ingrédients individuels des matériaux de batterie se comportent sous la surface.

Cela pourrait finalement conduire à des améliorations de la batterie telles qu'une augmentation de la capacité et de la tension.

Mais bon nombre des techniques utilisées par les scientifiques ne peuvent qu'effleurer la surface de ce qui est à l'œuvre à l'intérieur des batteries, et une technique à rayons X à haute sensibilité du Lawrence Berkeley National Laboratory (Laboratoire de Berkeley) du département de l'Énergie des États-Unis attire un groupe croissant de scientifiques parce qu'elle fournit une analyse plus approfondie, plongée plus précise dans la chimie de la batterie.

"Les gens essaient de pousser le fonctionnement des batteries au-delà de ce qu'ils avaient auparavant, " dit Wanli Yang, un scientifique du Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) qui a adapté une technique aux rayons X connue sous le nom de RIXS (diffusion inélastique des rayons X par résonance), pour une utilisation dans les expériences ALS se concentrant sur les batteries et autres matériaux énergétiques. L'ALS produit des faisceaux de lumière allant de l'infrarouge aux rayons X pour soutenir une variété d'expériences simultanées qui sont menées par des chercheurs du monde entier qui utilisent l'installation.

La technique que Yang a adaptée pour la recherche sur les batteries, connu sous le nom de mRIXS à haute efficacité (cartographie de RIXS), a suscité un intérêt particulier de la part des chercheurs qui étudient les conceptions d'électrodes, qui sont les composants de la batterie à travers lesquels le courant entre et sort de la batterie. Précédemment, RIXS était principalement connu comme un outil d'exploration de la physique fondamentale des matériaux, et Yang, travailler avec des théoriciens et d'autres, a aidé à appliquer la technique à de nouveaux domaines de recherche.

"Les scientifiques essayaient de voir à l'intérieur d'un matériau de batterie - pas seulement à la surface, mais aussi dans la masse - pour en savoir plus sur ses atomes d'oxygène et ses états métalliques, " a déclaré Yang. "La plupart des techniques conventionnelles n'ont pas la profondeur de sonde ou la sensibilité chimique qui pourrait être offerte par mRIXS."

MRIXS peut être utilisé pour scanner des échantillons d'électrodes de batterie afin de mesurer les états chimiques de différents éléments à un point spécifique du cycle de charge ou de décharge de la batterie. Il est efficace pour mesurer les matériaux de batterie populaires, tels que ceux connus sous le nom d'« oxydes de métaux de transition inférieurs » qui peuvent être plus légers et plus rentables que certaines alternatives.

Il peut dire aux chercheurs si, et à quel point, les matériaux de la batterie gagnent et perdent des électrons et des ions (atomes chargés positivement ou négativement) de manière stable, afin qu'ils puissent apprendre à quelle vitesse et pourquoi une batterie se dégrade, par exemple.

Pendant le fonctionnement d'une batterie, l'atome d'oxygène dans une électrode de batterie peut être réduit (gain d'électrons) et oxydé (perte d'électrons), qui est connue sous le nom de réaction "oxygéno-rédox". Il s'est avéré qu'un tel changement dans les états d'oxygène entrave les performances de la batterie dans les études d'électrodes dites riches en lithium, qui offrent potentiellement plus de stockage de lithium et donc une capacité plus élevée.

« Les changements d'état de l'oxygène pourraient rendre la batterie dangereuse et déclencher d'autres réactions secondaires » si le processus n'est pas réversible, dit Yang. "La structure peut également s'effondrer."

Mais l'oxydoréduction d'oxygène réversible qui se déroule à l'intérieur de l'électrode est une bonne chose. La technique mRIXS permet de détecter si les états redox de l'oxygène sont réversibles, et peut également détecter des états métalliques dans l'électrode.

Cette capacité unique rend également mRIXS particulièrement utile pour les études de haute tension, des matériaux de batterie haute capacité qui sont devenus un objectif croissant pour la R&D sur les batteries.

La technique fonctionne en balayant lentement avec des rayons X un échantillon qui préserve chimiquement un point du cycle de charge ou de décharge de la batterie. Une analyse de carte prend désormais environ trois heures par échantillon. Une telle analyse de carte complète prendrait des jours avant l'introduction du système RIXS à haute efficacité à l'ALS.

"L'unicité du système ici n'est pas seulement sur le temps de collecte des données, mais sa capacité à examiner des états chimiques non conventionnels qui ne sont généralement pas très stables aux rayons X, ", a-t-il déclaré. L'amélioration de l'efficacité de la détection est importante pour préserver l'échantillon avant l'apparition de tout dommage causé par les rayons X. C'est également un défi technique qui peut être relevé par les futures sources lumineuses avec une luminosité des rayons X nettement améliorée. , comme le projet ALS Upgrade (ALS-U), et les scientifiques de la SLA travaillent maintenant à améliorer encore l'efficacité de la détection.

La technique a fait partie intégrante de plusieurs études sur les batteries publiées ces derniers mois :

• Une étude, publié en février, axé sur les états redox de l'oxygène dans un matériau de batterie au lithium commercialement viable contenant du lithium, nickel, cobalt, manganèse, et de l'oxygène pour une électrode appelée cathode.
• Les états redox de l'oxygène dans les matériaux de batterie ont également fait l'objet d'autres études en février, dont un axé sur un matériau de batterie au sodium contenant du sodium, lithium, manganèse, et de l'oxygène.
• D'autres études sur les électrodes en oxyde riche en lithium ont utilisé mRIXS pour résoudre leur chimie de l'oxygène :une étude en janvier s'est concentrée sur la réduction de la dégradation de la batterie liée à la tension; et une autre étude en mars a démontré l'opération de charge et de décharge rapide d'un matériau avec une chimie de l'oxygène réversible.
• Une étude de novembre 2019 a également utilisé mRIXS pour examiner les états du soufre, plutôt que de l'oxygène, dans des matériaux de batterie au sulfure de lithium riches.

Yang a déclaré que l'utilisation croissante de la technique par la communauté de R&D sur les batteries est encourageante, et les chercheurs de l'ALS s'efforcent de renforcer les capacités de ces expériences.

« La demande augmente extrêmement rapidement et l'ALS est en train de développer de nouveaux systèmes RIXS avec un débit encore plus élevé en raison de cette capacité démontrée et de la demande croissante, " a dit Yang.

"L'introduction de RIXS dans la recherche sur les matériaux énergétiques est une nouveauté, " a ajouté Yang. " Si après 10 ans, nous, à l'ALS, sommes reconnus comme les personnes qui ont poussé une technique de physique fondamentale pour étudier les batteries et autres matériaux énergétiques, c'est ce dont nous devrions être fiers. "C'est comme un nouveau champ, et la communauté avait un besoin urgent d'un tel outil."