Quiconque possède un appareil électronique sait que les batteries lithium-ion pourraient mieux fonctionner et durer plus longtemps. Maintenant, des scientifiques examinant les matériaux des batteries à l'échelle nanométrique révèlent comment le nickel forme une barrière physique qui empêche la navette des ions lithium dans l'électrode, réduire la vitesse de chargement et de déchargement des matériaux. Publié la semaine dernière dans Lettres nano , la recherche suggère également un moyen d'améliorer les matériaux.

Les chercheurs, dirigé par Chongmin Wang du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie, créé des images 3D haute résolution de matériaux d'électrode fabriqués à partir de nanoparticules d'oxyde de lithium-nickel-manganèse, cartographier les éléments individuels. Ces cartes ont montré que le nickel formait des amas à certains endroits des nanoparticules. Une vue à plus fort grossissement a montré que le nickel bloquait les canaux par lesquels les ions lithium se déplacent normalement lorsque les batteries sont chargées et déchargées.

« Nous avons été surpris de voir le nickel ségréger de manière sélective comme il l'a fait. Lorsque les ions lithium en mouvement ont frappé la couche riche en nickel ségréguée, ils rencontrent essentiellement une barrière qui semble les ralentir, " dit Wang, un scientifique des matériaux basé à l'EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation d'utilisateurs du DOE sur le campus du PNNL. "Le bloc se forme dans le processus de fabrication, et nous aimerions trouver un moyen de l'empêcher."

Les ions lithium sont des atomes chargés positivement qui se déplacent entre les électrodes négatives et positives lorsqu'une batterie est en charge ou en cours d'utilisation. Ils capturent ou libèrent essentiellement les électrons chargés négativement, dont le mouvement à travers un appareil tel qu'un ordinateur portable forme le courant électrique.

Dans les électrodes d'oxyde de lithium-manganèse, les atomes de manganèse et d'oxygène forment des rangées comme un champ de tiges de maïs. Dans les canaux entre les tiges, les ions lithium se dirigent vers les électrodes à chaque extrémité, le sens selon que la batterie est en cours d'utilisation ou en charge.

Les chercheurs savent depuis longtemps que l'ajout de nickel améliore la quantité d'énergie que l'électrode peut contenir, qualités de la batterie appelées capacité et tension. Mais les scientifiques n'ont pas compris pourquoi la capacité diminue après une utilisation répétée, une situation que les consommateurs vivent lorsqu'une batterie en panne conserve sa charge de moins en moins longtemps.

Découvrir, Wang, Le scientifique des matériaux Meng Gu et leurs collaborateurs ont utilisé la microscopie électronique à l'EMSL et au National Center for Electron Microscopy du Lawrence Berkeley National Laboratory pour voir comment les différents atomes sont disposés dans les matériaux d'électrode produits par les chercheurs du Laboratoire national d'Argonne. Les électrodes étaient à base de nanoparticules de lithium, nickel, et les oxydes de manganèse.

D'abord, l'équipe a pris des images haute résolution qui montraient clairement des rangées d'atomes séparés par des canaux remplis d'ions lithium. À la surface, ils ont vu l'accumulation de nickel aux extrémités des rangées, bloquant essentiellement le lithium d'entrer et de sortir.

Pour savoir comment la couche de surface est répartie sur et dans l'ensemble de la nanoparticule, l'équipe a utilisé une technique appelée cartographie de composition tridimensionnelle. À l'aide d'une nanoparticule d'environ 200 nanomètres, ils ont pris 50 images des éléments individuels pendant qu'ils inclinaient la nanoparticule à différents angles. L'équipe a reconstruit une carte en trois dimensions à partir des cartes élémentaires individuelles, révélant des taches de nickel sur un fond d'oxyde de lithium-manganèse.

La distribution tridimensionnelle du manganèse, les atomes d'oxygène et de lithium le long de la surface et à l'intérieur de la particule étaient relativement uniformes. Le nickel, cependant, s'est garé dans de petites zones à la surface. Intérieurement, le nickel s'agglutine sur les bords de régions plus petites appelées grains.

Pour explorer pourquoi le nickel s'agrège sur certaines surfaces, l'équipe a calculé avec quelle facilité le nickel et le lithium traversaient les canaux. Le nickel montait et descendait plus facilement les canaux que le lithium. Alors que le nickel réside normalement dans les cornrows d'oxyde de manganèse, parfois il se glisse dans les canaux. Et quand c'est le cas, cette analyse a montré qu'il s'écoule beaucoup plus facilement à travers les canaux jusqu'au bout du champ, où il s'accumule et forme un bloc.

Les chercheurs ont utilisé diverses méthodes pour fabriquer les nanoparticules. Wang a déclaré que plus les nanoparticules restaient à haute température pendant la fabrication, plus le nickel est séparé et plus les particules effectuées dans les tests de charge et de décharge sont pauvres. Ils prévoient de faire des expériences plus étroitement contrôlées pour déterminer si une méthode de fabrication particulière produit une meilleure électrode.

Ce travail a été soutenu par l'Initiative d'imagerie chimique du PNNL.