Les chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) ont une longue histoire de découvertes révolutionnaires avec les batteries lithium-ion. Beaucoup de ces découvertes se sont concentrées sur une cathode de batterie connue sous le nom de NMC, un oxyde de nickel-manganèse-cobalt. Les batteries avec cette cathode alimentent désormais la Chevy Bolt.

Les chercheurs d'Argonne ont fait une autre percée avec la cathode NMC. La nouvelle structure de l'équipe pour les microparticules de la cathode pourrait conduire à des batteries plus durables et plus sûres capables de fonctionner à très haute tension et d'alimenter des véhicules pour des autonomies plus longues. Un article sur cette recherche est paru dans Nature Energy .

"La cathode NMC actuelle a constitué un obstacle majeur au fonctionnement à haute tension", a déclaré Guiliang Xu, assistant chimiste. Avec les cycles de charge-décharge, les performances diminuent rapidement en raison de la formation de fissures dans les particules de cathode. Depuis plusieurs décennies, les chercheurs sur les batteries cherchent des moyens d'éliminer ces fissures.

Une approche passée impliquait des particules sphériques à l'échelle microscopique constituées de nombreuses particules beaucoup plus petites. Les grosses particules sphériques sont polycristallines, avec des régions cristallines orientées différemment. En conséquence, ils ont ce que les scientifiques appellent des joints de grains entre les particules, qui provoquent des fissures lors du cycle de la batterie. Pour éviter cela, les collègues de Xu et Argonne avaient précédemment développé un revêtement polymère protecteur autour de chaque particule. Ce revêtement entoure les grosses particules sphériques et les plus petites à l'intérieur.

Une approche différente pour éviter cette fissuration implique des particules monocristallines. La microscopie électronique de ces particules a indiqué qu'elles n'ont pas de frontières.

Le problème auquel l'équipe était confrontée était que les cathodes constituées à la fois de polycristaux revêtus et de monocristaux formaient encore des fissures avec le cyclage. Ainsi, ils ont soumis ces matériaux cathodiques à des analyses approfondies à l'Advanced Photon Source (APS) et au Center for Nanoscale Materials (CNM), les installations des utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne.

Différentes analyses aux rayons X ont été réalisées sur cinq lignes de lumière APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C et 34-ID-E). Il s'est avéré que ce que les scientifiques croyaient être des monocristaux, comme en témoignent la microscopie électronique et à rayons X, avait en fait des limites à l'intérieur. Des microscopies électroniques à balayage et à transmission au CNM ont confirmé la découverte.

"Lorsque nous examinons la morphologie de surface de ces particules, elles ressemblent à des monocristaux", a déclaré le physicien Wenjun Liu. "Mais lorsque nous utilisons une technique appelée microscopie par diffraction des rayons X synchrotron et d'autres techniques à l'APS, nous trouvons des limites qui se cachent à l'intérieur."

Surtout, l'équipe a développé une méthode pour produire des monocristaux sans frontière. Les tests de petites cellules avec de telles cathodes monocristallines à très haute tension ont montré une augmentation de 25% du stockage d'énergie par unité de volume, avec presque aucune perte de performance sur 100 cycles de test. En revanche, sur le même cycle de vie, la capacité a diminué de 60 % à 88 % dans les cathodes NMC composées de monocristaux avec de nombreuses frontières internes ou de polycristaux enrobés.

Des calculs à l'échelle atomique ont révélé le mécanisme à l'origine de la baisse de capacité de la cathode. Selon la nanoscientifique Maria Chan du CNM, par rapport aux régions qui en sont éloignées, les frontières sont plus vulnérables à la perte d'atomes d'oxygène lorsque la batterie est en charge. Cette perte d'oxygène entraîne une dégradation avec le cycle cellulaire.

"Nos calculs ont montré comment les limites entraînent une libération d'oxygène à haute tension et, par conséquent, une baisse des performances", a déclaré Chan.

L'élimination des limites empêche la libération d'oxygène et améliore ainsi la sécurité et la stabilité de la cathode avec le cyclage. Les mesures de libération d'oxygène à l'APS et à la source de lumière avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE ont confirmé cette découverte.

"Nous avons maintenant des directives que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour préparer un matériau de cathode sans frontière et fonctionnant à haute tension", a déclaré Khalil Amine, un Argonne Distinguished Fellow. "Et les directives devraient s'appliquer à d'autres matériaux de cathode en plus du NMC." + Explorer plus loin

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