Des technologies de stockage d'énergie propres et efficaces sont essentielles pour établir une infrastructure d'énergie renouvelable. Les batteries lithium-ion sont déjà dominantes dans les appareils électroniques personnels et sont des candidats prometteurs pour un stockage fiable au niveau du réseau et des véhicules électriques. Cependant, des développements supplémentaires sont nécessaires pour améliorer leurs taux de charge et leur durée de vie utile.

Pour aider au développement de telles batteries à charge plus rapide et plus durables, les scientifiques doivent être en mesure de comprendre les processus qui se produisent à l'intérieur d'une batterie en fonctionnement, afin d'identifier les limites des performances de la batterie. Actuellement, la visualisation des matériaux actifs de la batterie pendant leur fonctionnement nécessite des techniques sophistiquées de rayons X synchrotron ou de microscopie électronique, qui peuvent être difficiles et coûteuses, et souvent ne peuvent pas imager assez rapidement pour capturer les changements rapides se produisant dans les matériaux d'électrode à charge rapide. En conséquence, la dynamique des ions à l'échelle de la longueur des particules actives individuelles et à des taux de charge rapide commercialement pertinents reste largement inexplorée.

Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont surmonté ce problème en développant une technique de microscopie optique en laboratoire à faible coût pour étudier les batteries lithium-ion. Ils ont examiné des particules individuelles de Nb₁₄ W₃ O₄₄ , qui fait partie des matériaux d'anode à charge la plus rapide à ce jour. La lumière visible est envoyée dans la batterie à travers une petite fenêtre en verre, permettant aux chercheurs d'observer le processus dynamique au sein des particules actives, en temps réel, dans des conditions de non-équilibre réalistes. Cela a révélé des gradients de concentration de lithium de type frontal se déplaçant à travers les particules actives individuelles, entraînant une contrainte interne qui a provoqué la fracture de certaines particules.

La fracture des particules est un problème pour les batteries, car elle peut entraîner une déconnexion électrique des fragments, réduisant la capacité de stockage de la batterie. "De tels événements spontanés ont de graves implications pour la batterie, mais n'ont jamais pu être observés en temps réel auparavant", déclare le co-auteur, le Dr Christoph Schnedermann, du laboratoire Cavendish de Cambridge.

Les capacités à haut débit de la technique de microscopie optique ont permis aux chercheurs d'analyser une grande population de particules, révélant que la fissuration des particules est plus fréquente avec des taux de délithiation plus élevés et dans des particules plus longues. "Ces découvertes fournissent des principes de conception directement applicables pour réduire la fracture des particules et la décoloration de la capacité dans cette classe de matériaux", déclare la première auteure Alice Merryweather, titulaire d'un doctorat. candidat au Cavendish Laboratory and Chemistry Department de Cambridge.

À l'avenir, les principaux avantages de la méthodologie, notamment l'acquisition rapide de données, la résolution d'une seule particule et les capacités à haut débit, permettront d'explorer plus avant ce qui se passe lorsque les batteries tombent en panne et comment l'éviter. La technique peut être appliquée pour étudier presque tous les types de matériaux de batterie, ce qui en fait une pièce importante du puzzle dans le développement des batteries de nouvelle génération.

La recherche a été publiée dans Nature Materials . + Explorer plus loin

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