Chasse aux électrons

Dans des travaux antérieurs au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement du DOE sur le campus du PNNL, Wang, Le chimiste du PNNL Wu Xu et d'autres collègues ont réussi à prendre un instantané d'un nanofil plus gros d'environ un micromètre – ou un centième de la largeur d'un cheveu humain – qui avait été partiellement chargé. Mais la configuration expérimentale n'a pas montré de charge en action.

Pour visualiser la dynamique d'une électrode en cours de charge, Wang et Xu ont fait équipe avec Jianyu Huang au Center for Integrated Nanotechnologies du DOE aux Sandia National Laboratories au Nouveau-Mexique et ailleurs. L'équipe a utilisé un microscope électronique à transmission spécialement équipé pour mettre en place une batterie miniature. Cet instrument leur a permis d'imager des fils plus petits d'environ 200 nanomètres de diamètre (environ un cinquième de la largeur des nanofils précédents) tout en le chargeant.

Les batteries lithium-ion rechargeables fonctionnent parce que les ions lithium aiment les électrons. Les ions lithium chargés positivement pendent normalement dans l'électrode positive, où un oxyde métallique partage ses électrons avec le lithium. Mais charger une batterie pompe des électrons libres dans l'électrode négative, qui se trouve à travers un lac d'électrolytes à travers lequel les ions lithium peuvent nager mais pas les électrons. Le lithium désire les électrons du côté négatif du lac plus que les électrons qu'il partage avec l'oxyde métallique du côté positif. Ainsi, les ions lithium circulent de l'électrode positive à l'électrode négative, appariement avec des électrons libres là-bas.

Mais les électrons sont inconstants. L'utilisation d'une batterie dans un appareil permet aux électrons de glisser hors de l'électrode négative, laissant les ions lithium derrière. Donc sans compagnons d'électrons libres, les ions lithium retournent à l'électrode positive et à l'étreinte de l'oxyde métallique.

La batterie miniature de Wang comprenait une électrode positive en oxyde de lithium et de cobalt et une électrode négative en nanofils minces d'oxyde d'étain. Entre les deux électrodes, un électrolyte fournissait un conduit pour les ions lithium et une barrière pour les électrons. L'électrolyte a été spécialement conçu pour résister aux conditions du microscope.

Lorsque l'équipe a chargé la batterie miniature à tension constante, les ions lithium absorbés par le fil d'oxyde d'étain, attirés par les électrons à l'électrode négative. Le fil a grossi et rallongé d'environ 250 pour cent en volume total, et tordu comme un serpent.

En outre, la microscopie a montré que le fil a commencé sous une forme cristalline. Mais les ions lithium ont changé l'oxyde d'étain en un matériau comme le verre, dans lequel les atomes sont disposés de manière plus aléatoire que dans un cristal. Les chercheurs ont conclu que la quantité de déformation se produisant pendant la charge et l'utilisation pourrait user les matériaux de la batterie après un certain temps. Toutefois, l'oxyde d'étain a semblé s'en tirer mieux sous forme de nanofil que sous sa forme plus grande, forme en vrac.

"Nous pensons que ce travail stimulera une nouvelle réflexion sur le stockage de l'énergie en général, " dit Wang. " Ce n'est que le début, et nous espérons qu'avec un travail continu, cela nous montrera comment concevoir une meilleure batterie."

Les travaux futurs incluront l'imagerie de ce qui se passe lorsqu'une telle batterie miniature est chargée et déchargée à plusieurs reprises. Lorsqu'une batterie s'use, les ions lithium doivent retourner à travers le fil d'oxyde d'étain et à travers l'électrolyte jusqu'à l'électrode positive. Les dommages structurels que le lithium laisse dans son sillage aideront les chercheurs à comprendre pourquoi les batteries rechargeables cessent de fonctionner après avoir été rechargées tant de fois.

Les chercheurs aimeraient également développer une batterie rechargeable de taille nanométrique entièrement fonctionnelle.