Voir, c'est croire, ou plutôt voir peut aider à comprendre, en particulier lorsqu'il s'agit des mécanismes qui sous-tendent les batteries lithium-ion. Malgré une utilisation quasi omniprésente dans les téléphones portables, les ordinateurs et autres, les environnements électrochimiques complexes des batteries lithium-ion restent obscurs.

Pour mieux comprendre et améliorer les performances des batteries, les chercheurs ont examiné la littérature scientifique actuelle et utilisé la microscopie électronique pour examiner de plus près les mécanismes de transfert de charge et de migration lithium-ion qui produisent de l'énergie. Cette étude a été publiée dans Nano Research Energy .

« Les batteries lithium-ion commerciales sont largement utilisées comme dispositifs de stockage d'énergie, y compris les véhicules électriques, les appareils électroniques portables et le stockage d'énergie du réseau », a déclaré Yi Ding, professeur à l'Université de technologie de Tianjin. "L'énergie, la puissance, le taux de charge-décharge, le coût, la durée de vie, la sécurité et l'impact environnemental doivent être pris en compte lors de l'adoption de batteries lithium-ion pour une application appropriée, mais chaque application spécifique est confrontée à une variété de défis différents."

La quantité d'énergie stockée est importante pour l'électronique portable, tandis que le coût et la sécurité sont plus importants pour les véhicules électriques, par exemple. Le coût et la sécurité sont également importants pour les besoins du réseau énergétique, mais la densité énergétique le devient moins que pour les véhicules électriques. Le compromis entre ces éléments change en fonction des besoins, mais la capacité d'ajuster les performances est limitée par une compréhension incomplète des matériaux utilisés dans les batteries.

"Les matériaux d'électrode actifs sont la principale partie responsable de la chimie et des performances de la cellule et, en fin de compte, affectent la commercialisation de la batterie construite", a déclaré Ding.

"Les performances, telles que la durée de vie et la densité d'énergie, des systèmes de matériaux d'électrode commerciaux existants doivent encore être améliorées, il est donc important de comprendre les propriétés physiques et chimiques inhérentes, telles que l'évolution structurelle/cinétique lors de la désintégration du lithium et la effet de l'interface électrode-électrolyte sur les performances des batteries lithium-ion."

Les chercheurs ont passé en revue les avancées récentes de la microscopie électronique pour voir dans quelle mesure les techniques de caractérisation traditionnelles sont à la hauteur lorsqu'il s'agit de comprendre les relations structure-activité des batteries lithium-ion commerciales.

"En comparant avec le contenu de caractérisation obtenu par les techniques de caractérisation traditionnelles, telles que la diffraction des rayons X et la spectroscopie photoélectronique des rayons X, nous illustrons les avantages et les limites des microscopes électroniques courants et des techniques de caractérisation microscopique électronique avancées récemment développées, telles que l'électron in situ. la technologie de la microscopie, dans cette recherche critique », a déclaré Ding.

Les chercheurs ont examiné comment la microscopie électronique avancée et les techniques de caractérisation associées peuvent fournir différentes informations sur la façon dont, par exemple, les ions lithium migrent dans la batterie pour produire une charge ou comment le transfert de charge peut déclencher la consommation d'énergie.

Ils se sont spécifiquement concentrés sur la dissolution des métaux de transition et le mécanisme de transfert de charge dans le processus de charge-décharge des électrodes positives des batteries lithium-ion ; la structure et l'évolution des interfaces cathode-électrode et de l'interphase électrolyte solide au cours du cyclage à long terme ; et l'effet de la structure et de l'interface des électrodes sur la migration lithium-ion.

La conclusion, selon Ding, est que des technologies de batterie lithium-ion de nouvelle génération offrant de meilleurs avantages en termes de coût et de performances sont nécessaires.

"Nous proposons la possibilité de combiner la microscopie électronique avec d'autres techniques pour obtenir des informations plus complètes", a déclaré Ding, notant que la microscopie électronique a trois limites communes dans l'évaluation des batteries.

Ceux-ci incluent des environnements électrochimiques incohérents entre les champs de microscopie électronique et les batteries réelles ; des fenêtres temporelles instables pouvant fausser les données liées à l'évolution de l'échantillon; et certaines batteries ne peuvent pas être évaluées quantitativement à l'échelle nanométrique. "Même avec des limitations, ces discussions permettent aux chercheurs de mieux comprendre comment les batteries lithium-ion commerciales fonctionnent à l'échelle microscopique et fournissent des conseils pour les stratégies de conception de batteries pratiques à hautes performances", ont noté les chercheurs. + Explorer plus loin

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