La nouvelle génération de batteries lithium-ion en cours de développement promet une révolution dans l'alimentation des téléphones portables, des véhicules électriques, des ordinateurs portables et d'une myriade d'autres appareils. Dotées de tous les composants à semi-conducteurs ininflammables, les nouvelles batteries sont plus légères, conservent leur charge plus longtemps, se rechargent plus rapidement et sont plus sûres à utiliser que les batteries lithium-ion conventionnelles, qui contiennent un gel qui peut prendre feu.

Cependant, comme toutes les batteries, les batteries lithium-ion à semi-conducteurs présentent un inconvénient :en raison des interactions électrochimiques, l'impédance - l'analogue CA de la résistance électrique CC - peut s'accumuler dans les batteries, limitant le flux de courant électrique. Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et leurs collègues ont maintenant identifié l'endroit où se produit la majeure partie de cette accumulation. Ce faisant, l'équipe a suggéré une refonte simple qui pourrait limiter considérablement l'accumulation d'impédance, permettant aux batteries de remplir leur rôle de source d'alimentation de nouvelle génération.

Une batterie lithium-ion se compose de deux bornes en forme de feuille, l'anode (borne négative) et la cathode (borne positive), séparées par un milieu conducteur d'ions appelé électrolyte. (L'électrolyte est un gel dans le cas des batteries lithium-ion ordinaires, un solide dans la version à semi-conducteurs.) Pendant la décharge, les ions lithium circulent de l'anode à travers l'électrolyte jusqu'à la cathode, forçant les électrons à se déplacer autour d'un circuit extérieur et générer le courant électrique qui alimente les appareils.

L'impédance apparaît généralement à l'interface entre l'une ou l'autre des deux électrodes et l'électrolyte. Mais pour trouver l'emplacement exact, il faut connaître à la fois la distribution des ions lithium et la différence de tension à chaque interface.

Des études antérieures menées par d'autres équipes n'ont pas permis de localiser définitivement la zone à problème, car l'outil qu'elles utilisaient calculait l'impédance moyenne sur l'ensemble de la batterie plutôt que de la mesurer sur des sites individuels de l'appareil. L'équipe du NIST, qui comprend des collaborateurs du Sandia National Laboratory à Livermore, en Californie, du Naval Research Laboratory à Washington, D.C. et de plusieurs universités, a utilisé deux méthodes complémentaires pour étudier l'impédance à l'échelle nanométrique dans une batterie lithium-ion à l'état solide. /P>

Une méthode, la microscopie à force de sonde Kelvin, utilise la pointe acérée d'un microscope à force atomique planant au-dessus des différentes couches d'une batterie ouverte pour imager la distribution de la tension sur chaque surface. La sonde a révélé que la plus grande chute de tension dans la batterie s'est produite à l'interface électrolyte/anode, indiquant qu'il s'agissait d'une région à haute impédance. (Si toute la batterie avait une faible impédance, la chute de tension interne varierait progressivement et en douceur d'un endroit à l'autre à l'intérieur de la cellule.)

La deuxième méthode, le profilage de la profondeur des neutrons, utilise un faisceau de neutrons à faible énergie généré au Centre de recherche sur les neutrons du NIST pour sonder la distribution et la concentration à l'échelle nanométrique du lithium. Étant donné que le profilage de la profondeur des neutrons n'endommage pas la batterie, les chercheurs ont pu utiliser la technique pendant que la batterie fonctionnait.

Lorsque les neutrons de faible énergie du faisceau ont été absorbés par le lithium dans la batterie, ils ont produit des particules chargées énergétiques, alpha (4He) et tritium (3H). Le nombre de ces particules chargées générées et l'énergie qu'elles retiennent après avoir traversé les couches de la batterie indiquent la concentration d'ions lithium à différents endroits de la batterie.

Les mesures ont révélé que le site principal où les ions lithium s'étaient accumulés, diminuant le flux de courant électrique, se trouvait à la frontière entre l'électrolyte et l'anode - le même site où la microscopie à force de sonde Kelvin avait détecté la plus grande chute de tension.

Pris ensemble, les résultats de la microscopie à force de sonde Kelvin et des techniques de profilage de la profondeur des neutrons ont démontré sans équivoque que la majeure partie de l'impédance se produit à l'interface électrolyte/anode, a déclaré Evgheni Strelcov, membre de l'équipe du NIST et du NanoCenter de l'Université du Maryland à College Park.

Strelcov et d'autres chercheurs, dont Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov et Nikolai Zhitenev du NIST et leurs collaborateurs, ont rapporté leurs découvertes en ligne le 19 octobre dans la revue ACS Energy Letters .

"Ce travail démontre que le profilage de la profondeur des neutrons, combiné à la microscopie à force de sonde Kelvin et à la modélisation théorique, continue de faire progresser notre compréhension du fonctionnement interne des batteries lithium-ion", a déclaré Weaver.

En analysant leurs découvertes, les scientifiques ont conclu que l'impédance qu'ils ont trouvée à l'interface pourrait être considérablement réduite si des couches d'un autre matériau étaient ajoutées entre l'anode et l'électrolyte. L'ajout de couches intermédiaires qui adhèrent correctement les unes aux autres empêcherait l'électrolyte et l'anode d'interagir directement l'un avec l'autre. C'est un avantage car lorsqu'un électrolyte et l'anode sont en contact direct, ils forment parfois une fine couche de matériau qui empêche le transport des ions.

"Nous voulons concevoir les interfaces de manière à ce qu'elles aient une conductivité ionique et électronique élevée", a déclaré Strelcov.