(PhysOrg.com) -- Alors que les industries et les consommateurs recherchent de plus en plus de meilleures sources d'alimentation par batterie, La microscopie de pointe réalisée au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie offre une perspective sans précédent sur le fonctionnement des batteries lithium-ion.

Une équipe de recherche dirigée par Nina Balke de l'ORNL, Stephen Jesse et Sergei Kalinin ont développé un nouveau type de microscopie à sonde à balayage appelée microscopie de contrainte électrochimique (ESM) pour examiner le mouvement des ions lithium à travers le matériau cathodique d'une batterie. La recherche, "Cartographie à l'échelle nanométrique de la diffusion ionique dans une cathode de batterie lithium-ion" (Balke et al.), est publié dans Nature Nanotechnologie .

"Nous pouvons fournir une image détaillée du mouvement ionique en volumes nanométriques, qui dépasse les techniques électrochimiques de pointe de six à sept ordres de grandeur, " a déclaré Kalinin. Les chercheurs ont obtenu les résultats en appliquant une tension avec une sonde ESM à la surface de la cathode en couches de la batterie. En mesurant la contrainte électrochimique correspondante, ou changement de volume, l'équipe a pu visualiser comment les ions lithium traversaient le matériau. Techniques électrochimiques conventionnelles, qui analysent le courant électrique au lieu de la contrainte, ne pas travailler à l'échelle nanométrique car les courants électrochimiques sont trop faibles pour être mesurés, Kalinine a expliqué.

"Ce sont les premières mesures, A notre connaissance, du flux d'ions lithium à cette résolution spatiale, " a déclaré Kalinine.

Batteries lithium-ion, qui alimentent les appareils électroniques, des téléphones portables aux voitures électriques, sont appréciés pour leur faible poids, haute densité d'énergie et capacité de recharge. Les chercheurs espèrent étendre les performances des batteries en offrant aux ingénieurs une connaissance fine des composants et de la dynamique des batteries.

« Nous voulons comprendre - d'un point de vue nanométrique - ce qui fait qu'une batterie fonctionne et qu'une batterie tombe en panne. Cela peut être fait en examinant sa fonctionnalité au niveau d'un seul grain ou d'un défaut étendu, " a déclaré Balke.

L'imagerie ESM de l'équipe peut afficher des caractéristiques telles que des grains individuels, amas de grains et défauts dans le matériau de la cathode. La cartographie à haute résolution a montré, par exemple, que le flux d'ions lithium peut se concentrer le long des joints de grains, ce qui pourrait entraîner des fissures et une panne de la batterie. Les chercheurs disent que ces types de phénomènes à l'échelle nanométrique doivent être examinés et corrélés à la fonctionnalité globale de la batterie.

"De très petits changements au niveau du nanomètre pourraient avoir un impact énorme au niveau de l'appareil, " Balke a déclaré. "Comprendre les batteries à cette échelle de longueur pourrait aider à faire des suggestions pour l'ingénierie des matériaux."

Bien que la recherche se soit concentrée sur les batteries lithium-ion, l'équipe s'attend à ce que sa technique puisse être utilisée pour mesurer d'autres systèmes électrochimiques à l'état solide, y compris d'autres types de batteries, piles à combustible et dispositifs électroniques similaires qui utilisent un mouvement ionique à l'échelle nanométrique pour le stockage d'informations.

"Nous considérons cette méthode comme un exemple des types de techniques de sonde à balayage de dimension supérieure que nous développons au CNMS qui nous permettent de voir le fonctionnement interne de matériaux complexes à l'échelle nanométrique, " a déclaré Jesse. " De telles capacités sont particulièrement pertinentes pour le domaine de plus en plus important de la recherche énergétique. "