(Phys.org)—En commençant par quelques atomes de long, les épines qui se forment à la surface de l'électrode dans une batterie au lithium spécialisée provoquent la décoloration progressive de la batterie, selon les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et du Argonne National Laboratory. Travailler avec de puissantes technologies d'imagerie dans le laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL) du DOE, l'équipe a déterminé qu'une sorte d'épine avec la structure spinelle cristallographique se développe hors du matériau de l'électrode et conduit finalement à la conversion complète de l'ensemble du matériau de l'électrode en structure spinelle. Par ailleurs, la croissance de cette structure spinelle libère des molécules d'oxyde de lithium, provoquant des fissures et des piqûres. L'électrode endommagée s'estompe ainsi, libérant moins d'énergie à chaque cycle de charge/décharge.

"Les changements de structure sont assez subtils après chaque charge/décharge cyclique de la batterie, " a déclaré le Dr Chongmin Wang, un chercheur du PNNL qui a dirigé l'étude. "L'imagerie au niveau atomique offre la possibilité d'obtenir une image fondamentale de l'évolution de ce type de changement subtil."

Accroître l'indépendance de notre nation vis-à-vis des combustibles fossiles pour notre flotte de transport nécessite un stockage d'énergie. Un composite stratifié riche en lithium pourrait augmenter la densité énergétique des batteries de plus de 50 %. Cependant, la batterie s'estompe. Avec une utilisation répétée, la tension et la quantité d'énergie pouvant être stockée et libérée de manière réversible diminuent progressivement. La cause est un changement ou une transformation dans le composite, mais comment et où les transformations ou les transitions de phase se produisent était en débat. En prenant et en analysant des images à résolution atomique de l'électrode de la batterie avant et après utilisation, l'équipe a répondu aux questions.

"Ces résultats et les études de suivi sont essentiels pour les applications, y compris le stockage d'énergie et les véhicules électriques, " a déclaré le Dr Jun Liu, un acteur clé du Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie et un scientifique des matériaux du PNNL sur l'étude.

L'équipe a commencé avec des électrodes de batterie au lithium en couches, où les couches n'ont qu'un seul atome d'épaisseur. Le matériau a été synthétisé à Argonne, où il a été inventé il y a plusieurs années. L'équipe de recherche a utilisé un nouveau spectromètre à dispersion d'énergie (EDS) et un puissant microscope électronique à transmission à balayage pour obtenir des informations détaillées sur la composition chimique et la structure atomique des matériaux des électrodes. La société FEI, à Hillsboro, Oregon, fourni l'EDS. L'entreprise recherchait des exemples exceptionnels pour mettre en valeur la puissance de ses instruments. A l'aide du spectromètre EDS, l'équipe a identifié l'inhomogénéité chimique et sa corrélation avec les changements de phase qui se sont produits dans le matériau.

L'équipe a utilisé un nouveau microscope électronique situé à EMSL pour obtenir des images à résolution atomique. « Le travail à haute résolution est une recherche de pointe en imagerie, " a déclaré le Dr Nigel Browning, Scientifique en chef en microscopie pour l'Initiative d'imagerie chimique au PNNL et chercheur sur cette étude. "C'est une application fantastique des techniques de microscopie à résolution atomique, et il confirme que la formation de spinelle peut expliquer l'origine de l'évanouissement de la tension en déterminant l'emplacement exact du spinelle, et comment toute la structure se fragmente au fur et à mesure que les spinelles se forment."

De nombreuses personnes participant à ce projet s'efforcent de trouver de nouvelles façons de synthétiser et de stabiliser les matériaux de la batterie au lithium en couches. "Nous travaillons en équipe pour passer au niveau supérieur - des images in situ. Nous voulons voir les changements au niveau atomique au fur et à mesure qu'ils se produisent, " dit Wang.