Sur une période de trois mois, la voiture moyenne aux États-Unis produit une tonne métrique de dioxyde de carbone. Multipliez cela par toutes les voitures à essence sur Terre, et à quoi cela ressemble-t-il ? Un problème insurmontable.

Mais de nouveaux efforts de recherche indiquent qu'il y a de l'espoir si nous nous engageons à zéro émission nette de carbone d'ici 2050 et si nous remplaçons les véhicules énergivores par des véhicules électriques, parmi de nombreuses autres solutions d'énergie propre.

Afin d'aider notre nation à atteindre cet objectif, des scientifiques comme William Chueh et David Shapiro travaillent ensemble pour trouver de nouvelles stratégies pour concevoir des batteries longue distance plus sûres fabriquées à partir de matériaux durables et abondants sur Terre.

Chueh est professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford et vise à repenser la batterie moderne de bas en haut. Il s'appuie sur des outils de pointe dans les installations d'utilisateurs scientifiques du département américain de l'énergie, telles que la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab et la source de lumière de rayonnement synchrotron de Stanford de SLAC - des installations synchrotron qui génèrent des faisceaux lumineux de rayons X - pour dévoiler la dynamique moléculaire des matériaux de batterie au travail.

Pendant près d'une décennie, Chueh a collaboré avec Shapiro, un scientifique principal de l'ALS et un expert de premier plan du synchrotron - et ensemble, leur travail a abouti à de nouvelles techniques étonnantes révélant pour la première fois comment les matériaux de batterie fonctionnent en action, en temps réel , à des échelles sans précédent invisibles à l'œil nu.

Ils discutent de leur travail de pionnier dans ce Q&R.

Q :Qu'est-ce qui vous a amené à vous intéresser à la recherche sur les batteries/stockage d'énergie ?

Chueh :Mon travail est presque entièrement axé sur la durabilité. Je me suis impliqué dans la recherche sur les matériaux énergétiques lorsque j'étais étudiant diplômé au début des années 2000 - je travaillais sur la technologie des piles à combustible. Lorsque j'ai rejoint Stanford en 2012, il m'est apparu évident qu'un stockage d'énergie évolutif et efficace était crucial.

Aujourd'hui, je suis très heureux de voir que la transition énergétique loin des combustibles fossiles devient une réalité et qu'elle est mise en œuvre à une échelle incroyable.

J'ai trois objectifs :Premièrement, je fais de la recherche fondamentale qui jette les bases pour permettre la transition énergétique, notamment en termes de développement de matériaux. Deuxièmement, je forme des scientifiques et des ingénieurs de classe mondiale qui iront dans le monde réel pour résoudre ces problèmes. Et puis troisièmement, je prends la science fondamentale et je la traduis en une utilisation pratique par le biais de l'entrepreneuriat et du transfert de technologie.

J'espère donc que cela vous donne une vue d'ensemble de ce qui me motive et de ce que je pense qu'il faut pour faire la différence :ce sont les connaissances, les gens et la technologie.

Shapiro :J'ai une formation en optique et en diffusion cohérente des rayons X, donc quand j'ai commencé à travailler à l'ALS en 2012, les batteries n'étaient pas vraiment sur mon radar. J'ai été chargé de développer de nouvelles technologies pour la microscopie à rayons X à haute résolution spatiale, mais cela a rapidement conduit aux applications et à essayer de comprendre ce que font les chercheurs de Berkeley Lab et au-delà et quels sont leurs besoins.

A l'époque, vers 2013, il y avait beaucoup de travaux à l'ALS utilisant diverses techniques exploitant la sensibilité chimique des rayons X mous pour étudier les transformations de phase dans les matériaux des batteries, notamment le lithium fer phosphate (LiFePO4) entre autres.

J'ai été vraiment impressionné par le travail de Will ainsi que par Wanli Yang, Jordi Cabana (un ancien membre du personnel scientifique de l'Energy Technologies Area (ETA) de Berkeley Lab, qui est maintenant professeur associé à l'Université de l'Illinois à Chicago), et d'autres dont le travail a également construit hors du travail par les chercheurs de l'ETA Robert Kostecki et Marca Doeff.

I knew nothing about batteries at the time, but the scientific and social impact of this area of research quickly became apparent to me. The synergy of research across Berkeley Lab also struck me as very profound, and I wanted to figure out how to contribute to that. So I started to reach out to people to see what we could do together.

As it turned out, there was a great need to improve the spatial resolution of our battery materials measurements and to look at them during cycling—and Will and I have been working on that for nearly a decade now.

Q:Will, as a battery scientist, what would you say is the biggest challenge to making better batteries?

Chueh:Batteries have on the order of 10 metrics that you have to co-optimize at the same time. It's easy to make a battery that's good on maybe five out of the 10, but to make a battery that's good in every metric is very immensely challenging.

For example, let's say you want a battery that is energy dense so you can drive an electric car for 500 miles per charge. You may want a battery that charges in 10 minutes. And you may want a battery that lasts 20 years. You also want a battery that never explodes. But it's hard to meet all of these metrics at once.

What we're trying to do is understand how we can create a single battery technology that is safe, long-lasting, and can be charged in 10 minutes.

And those are the fundamental insights that our experiments at Berkeley Lab's Advanced Light Source are trying to do:To uncover those unexplained tradeoffs so that we can go beyond today's design rules, which would enable us to identify new materials and new mechanisms so that we can free ourselves from those restrictions.

Q:What unique capabilities does the ALS offer that have helped to push the boundaries of battery or energy storage research?

Chueh:In order to understand what's going on, we need to see it. We need to make observations. A key philosophy of my group is to embrace the dynamics and the heterogeneity of battery materials. A battery material is not like a rock. It's not static. You are charging and discharging it every day for your phones and every week for your electric cars. You're not going to understand how a car works by not driving it.

The second part is that heterogeneous battery materials are extremely length spanning. A battery cell is typically a few centimeters tall, but in order to understand what's going on inside the battery—and I have beautiful images for this—you want to see all the way down to the nanoscale and to the atomic scale. That's about 10 orders of magnitude of length.

What the Advanced Light Source empowers scientists like me to be able to do is to embrace the heterogeneity and dynamics of a battery in very unprecedented ways:We can measure very slow processes. We can measure very fast processes. We can measure things at the scale of many hundreds of microns (millionths of a meter). We can measure things at the nanoscale (billionth of a meter). All with one amazing tool at Berkeley Lab.

Shapiro:Scanning transmission X-ray microscopy (STXM) is a very popular synchrotron-based method. Most synchrotrons around the world have at least one STXM instrument while the ALS has three—and a fourth is on the way through the ALS Upgrade (ALS-U) project.

I think a few things make our program unique. First, we have a portfolio of instruments with specializations. One is optimized for light element spectroscopy so an element like oxygen, which is a critical ingredient in battery chemistry, can be precisely characterized.

Another instrument specializes in mapping chemical composition at very high spatial resolution. We have the highest spatial resolution X-ray microscopy in the world. This is very powerful for zooming in on the chemical reactions happening within a battery's individual nanoparticles and interfaces.

Our third instrument specializes in "operando" measurements of battery chemistry, which you need in order to really understand the physical and chemical evolution that occurs during battery cycling.

We have also worked hard to develop synergies with other facilities at Berkeley Lab. For instance, our high-resolution microscope uses the same sample environments as the electron microscopes at the Molecular Foundry, Berkeley Lab's nanoscience user facility—so it has become feasible to probe the same active battery environment with both X-rays and electrons. Will has used this correlative approach to study relationships between chemical states and structural strain in battery materials. This has never been done before at the length scales we have access to, and it provides new insight.

Q:How will the ALS Upgrade project advance next-gen energy storage technologies? What will the upgraded ALS offer battery/energy-storage researchers that will be unique to Berkeley Lab?

Shapiro:The upgraded ALS will be unique for a few reasons as far as microscopy is concerned. First, it will be the brightest soft X-ray source in the world, providing 100 times more X-rays on th sample than what we have today. Scanning microscopy techniques will benefit from such high brightness.

This is both a huge opportunity and a huge challenge. We can use this brightness to measure the data we get today—but doing this 100 times faster is the challenging part.

Such new capabilities will give us a much more statistically accurate look at battery structure and function by expanding to larger length scales and smaller time scales. Alternatively, we could also measure data at the same rate as today but with about three times finer spatial resolution, taking us from about 10 nanometers to just a few nanometers. This is a very important length scale for materials science, but today it's just not accessible by X-ray microscopy.

Another thing that will make the upgraded ALS unique is its proximity to expertise at the Molecular Foundry; other science areas such as the Energy Technologies Area; and current and future energy research hubs based at Berkeley Lab. This synergy will continue to drive energy storage research.

Chueh:In battery research, one of the challenges we have right now is that we have so many interesting problems to solve, but it takes hours and days to do just one measurement. The ALS-U project will increase the throughput of experiments and allow us to probe materials at higher resolution and smaller scales. Altogether, that adds up to enabling new science. Years ago, I contributed to making the case for ALS-U, so I couldn't be prouder to be part of that—I'm very excited to see the upgraded ALS come online so we can take advantage of its exciting new capabilities to do science that we cannot do today.