Bien qu'ils se soient bien comportés, l'équipe soupçonnait que l'expansion et la contraction du silicium pourraient être un problème pour la longévité de la batterie, puisque les étirements ont tendance à user les choses. Pour déterminer dans quelle mesure les électrodes résistent à l'étirement répété, Wang a sauté un spécialement conçu, petite pile dans un microscope électronique à transmission, qui peut voir des objets de quelques nanomètres de large, dans l'EMSL du DOE, le Laboratoire des Sciences Moléculaires de l'Environnement sur le campus du PNNL.

Ils ont zoomé sur l'électrode de la minuscule batterie à l'aide d'un nouveau microscrope financé par le Recovery Act. Ce microscope a permis à l'équipe d'étudier l'électrode en service, et ils ont pris des images et des vidéos pendant que la petite batterie était chargée et déchargée.

Pas de verre de cristal

Des travaux antérieurs ont montré que la charge provoque l'écoulement des ions lithium dans le silicium. Dans cette étude, les ions lithium se sont écoulés dans la couche de silicium le long de la nanofibre de carbone à une vitesse d'environ 130 nanomètres par seconde. C'est environ 60 fois plus rapide que le silicium seul, suggérant que le carbone sous-jacent améliore la vitesse de charge du silicium.

Comme prévu, la couche de silicium a gonflé d'environ 300 % lorsque le lithium est entré. Cependant, l'association du support carbone et de la qualité déstructurée du silicium lui a permis de gonfler uniformément. Cela se compare avantageusement au silicium seul, qui gonfle inégalement, provoquant des imperfections.

En plus du gonflement, le lithium est connu pour provoquer d'autres modifications du silicium. L'association du lithium et du silicium forme initialement un ensemble non structuré, couche vitreuse. Puis, lorsque le rapport lithium/silicium atteint 15 à 4, la couche vitreuse cristallise rapidement, comme l'ont montré des travaux antérieurs d'autres chercheurs.

Wang et ses collègues ont examiné le processus de cristallisation au microscope pour mieux le comprendre. Dans la vidéo du microscope, ils ont pu voir la cristallisation avancer au fur et à mesure que le lithium remplissait le silicium et atteignait le rapport 15 à 4.

Ils ont découvert que cette cristallisation est différente de la façon classique dont de nombreuses substances cristallisent, qui se construit à partir d'un point de départ. Plutôt, la couche de lithium et de silicium s'est cassée en un cristal d'un seul coup lorsque le rapport a atteint précisément 15 à 4. Les analyses informatiques de cette cristallisation ont vérifié son caractère accrocheur, un type de cristallisation connu sous le nom de transition de phase congruente.

Mais la cristallisation n'était pas permanente. Lors de la décharge, l'équipe a constaté que la couche de cristal est redevenue vitreuse, à mesure que la concentration de lithium diminuait à sa sortie du silicium.

Pour déterminer si une utilisation répétée a laissé sa marque sur l'électrode, l'équipe a chargé et déchargé la petite batterie 4 fois. En comparant la même région de l'électrode entre la première et la quatrième charge, l'équipe a vu la surface devenir rugueuse, semblable à une route avec des nids-de-poule.

Les changements de surface étaient probablement dus aux ions lithium laissant un peu de dommages dans leur sillage lors de la décharge, dit Wang. « Nous pouvons voir la surface de l'électrode passer de lisse à rugueuse lorsque nous la chargeons et la déchargeons. Nous pensons qu'elle cycle, de petits défauts se produisent, et les défauts s'accumulent."

Mais le fait que la couche de silicium soit très mince la rend plus durable que le silicium plus épais. En silicium épais, les trous que les ions lithium laissent derrière eux peuvent se rassembler pour former de grandes cavités. « Dans la conception actuelle, parce que le silicium est si fin, vous n'obtenez pas de plus grandes cavités, tout comme de petites bulles de gaz dans des eaux peu profondes remontent à la surface. Si l'eau est profonde, les bulles se rassemblent et forment des bulles plus grosses."

Dans les travaux futurs, les chercheurs espèrent explorer l'épaisseur de la couche de silicium et son degré de liaison avec le carbone sous-jacent pour optimiser les performances et la durée de vie des électrodes.