Les batteries sont largement utilisées dans des applications quotidiennes telles que l'alimentation de véhicules électriques, gadgets électroniques et sont des candidats prometteurs pour le stockage durable de l'énergie. Cependant, comme vous l'avez probablement remarqué avec la charge quotidienne des batteries, leur fonctionnalité diminue avec le temps. Finalement, nous devons remplacer ces piles, ce qui est non seulement coûteux mais épuise également les éléments de terres rares utilisés dans leur fabrication.

Un facteur clé dans la réduction de la durée de vie de la batterie est la dégradation de l'intégrité structurelle d'une batterie. Pour décourager la dégradation structurelle, une équipe de chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering espère introduire un « étirement » dans les matériaux des batteries afin qu'ils puissent être recyclés à plusieurs reprises sans fatigue structurelle. Cette recherche a été dirigée par Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan Professeur assistant en génie aérospatial et mécanique, et candidat au doctorat de l'USC Viterbi, Delin Zhang, ainsi que des chercheurs de l'Université Brown du groupe du professeur Brian Sheldon. Leurs travaux ont été publiés dans le Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Une batterie typique fonctionne selon un cycle répétitif d'insertion et d'extraction de Li-ions des électrodes, dit Zhang. Cette insertion et cette extraction dilatent et compriment les réseaux d'électrodes. Ces changements de volume créent des microfissures, fractures et défauts au fil du temps.

"Ces microfissures et fractures dans le matériau de la batterie entraîneront une dégradation structurelle, ce qui finira par diminuer la capacité de la batterie, " dit Zhang. " En fin de compte, la batterie devra être remplacée par une neuve."

Pour décourager cela, Zhang, qui étudie les matériaux d'intercalation - une classe de matériaux utilisés comme électrodes dans les batteries lithium-ion - étend ces électrodes d'intercalation à l'avance. Ce changement de l'état de contrainte initial régule les tensions de transformation de phase rendant ainsi les électrodes plus résistantes à la fracture ou à l'amorphisation (perdant ses propriétés cristallines).

Tension plus large, une plus grande capacité

Transformations de phases, lorsque les matériaux de la batterie changent de forme physique, résulte du cycle d'expansion et de compression qui accompagne la charge et l'utilisation quotidiennes. Dit Zhang :"Ces transformations de phase peuvent rendre les électrodes plus sensibles à la dégradation structurelle, surtout quand le processus est répété si fréquemment."

La réversibilité des phases est essentielle pour permettre aux batteries de maintenir une fonctionnalité efficace au fil du temps. Renuka-Balakrishna a déclaré :« La réversibilité est renforcée en s'assurant que le matériau reste sous sa forme cristalline. À certaines tensions, lorsque les matériaux passent d'une phase à une autre, ils peuvent devenir poudreux, ce qui n'est pas idéal pour un fonctionnement efficace de la batterie."

Les chercheurs se sont ainsi demandés, « Existe-t-il un moyen de conserver les matériaux de la batterie sous leur forme cristalline pendant qu'ils font des allers-retours entre les paysages énergétiques ? » La réponse :changer la structure des matériaux en introduisant un état de contrainte initial.

Dit Zhang :"En étirant les électrodes avant de charger et de décharger, nous modifions le paysage énergétique à travers lequel une électrode passe de l'état chargé à l'état déchargé. Cette déformation initiale nous permet de réduire la barrière énergétique pour ces transformations et d'éviter les déformations du réseau préjudiciables qui conduisent à la rupture du matériau. Ce changement dans le paysage énergétique permet d'éviter les microfissures et les fractures, protégeant la durabilité de la batterie et la capacité de stockage d'énergie."

Un avantage supplémentaire, Renuka-Balakrishna a dit, c'est qu'en étirant les électrodes, la batterie peut également fonctionner dans une fenêtre de tension plus large, le rendant plus efficace dans sa capacité de stockage d'énergie.

Les défis du stockage d'énergie moderne

L'une des principales préoccupations de la communauté du stockage d'énergie, Renuka-Balakrishna a dit, s'éloigne des électrolytes liquides inflammables généralement utilisés dans les batteries et les met dans des matériaux solides. "Cela introduit de nouveaux défis, " elle a dit.

Objets solides, comme nous le savons tous, peut se détériorer avec le temps en cas de stress répété. Une fois qu'une fissure est introduite, les deux côtés d'une surface perdront contact. Dans le cas de la batterie, cela crée un problème de mécanique simple; sans la connexion, il est difficile de transporter des ions à travers le matériau, dit Renuka-Balakrishna.

Des approches telles que celle identifiée par Zhang sont une tentative d'aller de l'avant vers plus de sécurité, batteries plus durables tout en relevant ce défi mécanique. La nouveauté de cette approche est au lieu de trouver un nouveau matériau pour améliorer la durée de vie de la batterie, vous pouvez améliorer la durée de vie d'un matériau existant en introduisant des concepts mécaniques fondamentaux pour améliorer leurs durées de vie, les chercheurs ont dit.

"La mécanique n'a pas toujours fait partie intégrante du développement des batteries, ", a déclaré Renuka-Balakrishna. "Mais maintenant, les ingénieurs peuvent jouer avec cette théorie/outil que Zhang a créé et travailler pour concevoir la durée de vie des matériaux de batterie."

L'amélioration de la durée de vie des batteries profiterait aux utilisateurs d'appareils électroniques et de véhicules électriques, permettant une utilisation plus longue des appareils et minimisant le remplacement des batteries, dit Zhang. Compte tenu du coût d'une batterie lithium-ion, cela pourrait également faire économiser beaucoup d'argent aux utilisateurs au fil du temps.

Plus que ça, Zhang a déclaré que le stockage d'énergie durable est un élément important de la réduction des émissions nocives de gaz à effet de serre et de la réduction des déchets de batteries, et nous espérons que nos travaux ouvriront une nouvelle voie de recherche pour améliorer la réversibilité des matériaux.