Depuis sa découverte il y a 15 ans, phosphate de fer et de lithium (LiFePO 4 ) est devenu l'un des matériaux les plus prometteurs pour les batteries rechargeables en raison de sa stabilité, durabilité, la sécurité et la capacité de fournir beaucoup de puissance à la fois. Il a fait l'objet de grands projets de recherche à travers le monde, et une technologie de pointe utilisée dans tout, des outils électriques aux véhicules électriques. Mais malgré cet intérêt généralisé, les raisons des caractéristiques inhabituelles de charge et de décharge du phosphate de fer et de lithium sont restées floues.

Maintenant, les recherches du professeur agrégé de génie chimique et de mathématiques du MIT, Martin Z. Bazant, ont fourni de nouveaux résultats surprenants montrant que le matériau se comporte tout à fait différemment de ce que l'on pensait, aider à expliquer ses performances et peut-être ouvrir la porte à la découverte de matériaux de batterie encore plus efficaces.

Les nouvelles informations sur le comportement du phosphate de fer et de lithium sont détaillées dans un article paru cette semaine dans la revue ACS Nano , écrit par Bazant et le postdoctorant Daniel Cogswell. L'article est une extension des recherches qu'ils ont rapportées à la fin de l'année dernière dans le journal Lettres nano .

Quand il a été découvert pour la première fois, le phosphate de fer et de lithium n'a été considéré comme utile que pour les applications de faible puissance. Puis, développements ultérieurs - par des chercheurs dont Yet-Ming Chiang du MIT, le professeur de céramique de Kyocera — a montré que sa capacité de puissance pouvait être considérablement améliorée en l'utilisant sous forme de nanoparticules, une approche qui en a fait l'un des meilleurs matériaux connus pour les applications de forte puissance.

Mais les raisons pour lesquelles les nanoparticules de LiFePO 4 fonctionnait si bien restait insaisissable. Il était largement admis que pendant qu'ils étaient inculpés ou déchargés, le matériau en vrac s'est séparé en différentes phases avec des concentrations de lithium très différentes; cette séparation de phases, on pensait, limité la capacité de puissance du matériau. Mais la nouvelle recherche montre que, dans de nombreuses conditions du monde réel, cette séparation n'arrive jamais.

La théorie de Bazant prédit qu'au-dessus d'un courant critique, la réaction est si rapide que le matériau perd sa tendance à la séparation de phases qui se produit à des niveaux de puissance inférieurs. Juste en dessous du courant critique, le matériau passe par un nouvel état de « solution quasi-solide », où il « n'a pas le temps de terminer la séparation de phases, " il dit. Ces caractéristiques aident à expliquer pourquoi ce matériau est si bon pour les batteries rechargeables, il dit.

Les résultats sont le résultat d'une combinaison d'analyses théoriques, modélisation informatique et expériences en laboratoire, Bazant explique - une approche interdisciplinaire qui reflète ses propres nominations conjointes dans les départements de génie chimique et de mathématiques du MIT.

Les analyses précédentes de ce matériau avaient examiné son comportement à un moment donné, ignorant la dynamique de son comportement. Mais Bazant et Cogswell ont étudié comment le matériau change pendant l'utilisation, que ce soit pendant la charge ou la décharge d'une batterie - et ses propriétés changeantes au fil du temps se sont avérées cruciales pour comprendre ses performances.

"Cela n'a pas été fait avant, », dit Bazant. Ce qu'ils ont trouvé, il ajoute, est un tout nouveau phénomène, et un qui pourrait être important pour comprendre les performances de nombreux matériaux de batterie - ce qui signifie que ce travail pourrait être important même si le phosphate de fer et de lithium finit par être abandonné au profit d'autres nouveaux matériaux.

Les chercheurs avaient pensé que le lithium imprègne progressivement les particules de l'extérieur vers l'intérieur, produisant un noyau rétrécissant de matériau pauvre en lithium au centre. Ce que l'équipe du MIT a découvert était assez différent :à faible courant, le lithium forme des bandes parallèles droites de matériau enrichi à l'intérieur de chaque particule, et les bandes traversent les particules au fur et à mesure qu'elles sont chargées. Mais à des niveaux de courant électrique plus élevés, il n'y a pas de séparation du tout, soit en bandes, soit en couches; au lieu, chaque particule absorbe le lithium d'un seul coup, passant presque instantanément de pauvre en lithium à riche en lithium.

La nouvelle découverte aide également à expliquer la durabilité du phosphate de fer et de lithium. Lorsqu'il y a des bandes de différentes phases présentes, les limites entre ces rayures sont une source de contrainte qui peut provoquer des fissures et une dégradation progressive des performances. Mais quand tout le matériel change à la fois, il n'y a pas de telles frontières et donc moins de dégradation.

C'est une découverte inhabituelle, Bazant dit :« D'habitude, si vous faites quelque chose de plus rapide, tu fais plus de dégâts, mais dans ce cas, c'est le contraire. De la même manière, lui et Cogswell prédisent qu'en fonctionnant à une température légèrement plus élevée, le matériau durerait plus longtemps, ce qui va à l'encontre du comportement typique des matériaux.

En plus de voir comment le matériau change au fil du temps, comprendre comment cela fonctionne impliquait de regarder le matériau à des échelles que d'autres n'avaient pas examinées :alors que de nombreuses analyses avaient été effectuées au niveau des atomes et des molécules, il s'est avéré que les phénomènes clés n'étaient visibles qu'à l'échelle des nanoparticules elles-mêmes, Bazant dit - plusieurs milliers de fois plus grand. "C'est un effet dépendant de la taille, " il dit.

Le professeur de science des matériaux du MIT, Gerbrand Ceder, a observé et écrit sur le comportement du phosphate de fer et de lithium à des niveaux de courant élevés l'année dernière; maintenant, L'analyse théorique de Bazant pourrait conduire à une compréhension plus large non seulement de ce matériau, mais aussi d'autres qui peuvent subir des changements similaires.

Troy Farrell, professeur agrégé de mathématiques à l'Université de technologie du Queensland en Australie, qui n'a pas participé à ce travail, affirme que ces résultats sont d'une grande importance pour ceux qui font des recherches sur les batteries au lithium. Il ajoute que cette nouvelle compréhension « permet aux scientifiques des matériaux de développer de nouvelles structures et de nouveaux composés qui conduisent finalement à des batteries qui ont une durée de vie plus longue et une densité énergétique plus élevée. C'est ce qui est nécessaire si la technologie des batteries doit être utilisée dans des applications à haute puissance comme les véhicules électriques. »

Comprendre pourquoi le phosphate de fer et de lithium fonctionne si bien était "l'une des énigmes scientifiques les plus intéressantes que j'ai rencontrées, », dit Bazant. « Il a fallu cinq ans pour comprendre cela. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.