Des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia ont confirmé le mécanisme particule par particule par lequel les ions lithium entrent et sortent des électrodes en phosphate de fer lithium (LiFePO 4 , ou LFP), des découvertes qui pourraient conduire à de meilleures performances des batteries lithium-ion dans les véhicules électriques, équipements médicaux et aéronefs.

La recherche est rapportée dans un article intitulé, "La voie d'intercalation dans l'électrode LiFePO4 à plusieurs particules révélée par la cartographie de l'état de charge à l'échelle nanométrique" dans le journal Lettres nano , 2013, 13 (3), pages 866-872. Les auteurs incluent le physicien de Sandia Farid El Gabaly et William Chueh de l'Université de Stanford.

LFP, un minéral naturel de la famille des olivines, est l'un des matériaux les plus récents utilisés dans les batteries lithium-ion et est connu pour être plus sûr et plus durable que l'oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO 2 ) composé utilisé dans les téléphones intelligents, ordinateurs portables et autres appareils électroniques grand public.

Alors que le matériel LFP intrigue les chercheurs et les fabricants de batteries pour ces raisons, le processus par lequel les ions lithium entrent et sortent du LFP lorsque la batterie stocke et libère son énergie n'est pas bien compris. Cela s'est avéré être un obstacle à l'adoption généralisée du matériau.

Les matériaux cathodiques comme le LFP sont essentiels dans la recherche de capacités plus élevées, longue vie, batteries lithium-ion pour les applications où les batteries ne peuvent pas être remplacées aussi facilement ou aussi souvent qu'elles le sont dans l'électronique grand public. Les applications plus importantes dans lesquelles les cellules à oxyde de lithium et de cobalt pourraient éventuellement être remplacées par des batteries LFP incluent les véhicules électriques et les avions.

Mouvements de particules de type pop-corn observés par technique de microscopie

En observant les sections complètes des batteries, les chercheurs ont fourni des informations clés sur une controverse sur le processus qui limite les taux de charge et de décharge de la batterie.

Les tentatives précédentes pour optimiser la vitesse de charge/décharge ont inclus le revêtement des particules pour augmenter leur conductivité électrique et la réduction de la taille des particules pour accélérer leur transformation, mais ont négligé le processus d'initiation qui pourrait bien être l'étape critique limitant la vitesse dans laquelle le lithium se déplace de l'extérieur d'une particule à son intérieur.

En utilisant la microscopie à rayons X pour examiner des tranches ultrafines d'une batterie de qualité commerciale, Les chercheurs de Sandia ont trouvé des preuves que la charge et la décharge dans LFP sont limitées par l'initiation de la transformation de phase, ou nucléation, et n'est pas affecté par la taille des particules.

L'électrode LFP forme une mosaïque de particules homogènes qui sont soit dans un état riche en lithium, soit dans un état pauvre en lithium. La recherche Sandia confirme la particule par particule, ou mosaïque, voie des transformations de phase dues à l'insertion d'ions lithium dans la cathode. Les résultats contredisent les hypothèses précédentes.

"Une théorie de la propagation disait que lorsque toutes les particules étaient exposées au lithium, ils commenceraient tous à se décharger lentement ensemble dans une transformation de phase simultanée, " a déclaré El Gabaly. "Nous avons maintenant vu que le processus ressemble plus à du pop-corn. Une particule est complètement déchargée, puis le suivant, et ils vont un par un comme du pop-corn, absorbant le lithium.

Le tranchage et le découpage aident à comprendre la charge lithium-ion

Les ions lithium entrent et sortent des matériaux d'électrode de batterie lorsqu'ils sont chargés et déchargés. Lorsqu'une batterie lithium-ion rechargeable est chargée, une source de tension externe extrait les ions lithium du matériau de cathode (électrode positive), dans un processus connu sous le nom de "délithiation". Les ions lithium se déplacent à travers l'électrolyte et sont insérés (intercalés) dans le matériau de l'anode (électrode négative), dans un processus connu sous le nom de "lithiation". Le même processus se produit en sens inverse lors de la décharge d'énergie de la batterie.

"Nous avons observé qu'il n'y avait que deux phases, où la particule avait du lithium ou n'en avait pas, " a déclaré El Gabaly. " Dans de nombreuses études précédentes, les chercheurs se sont concentrés sur la compréhension du processus de charge à l'intérieur d'une particule."

El Gabaly et ses collègues de Sandia ont pris une tranche un peu plus épaisse qu'un cheveu humain d'une batterie de qualité commerciale, une seule couche de particules LFP, et cartographié les emplacements du lithium dans environ 450 particules lorsque la batterie était à différents états de charge.

"Notre découverte a été rendue possible en cartographiant le lithium dans un ensemble de particules relativement important, " il a dit.

De nombreux outils, les installations contribuent à la recherche

Les chercheurs ont pu construire une pile bouton de qualité commerciale à partir de matières premières en utilisant l'installation de prototypage de piles de Sandia au Nouveau-Mexique, qui est la plus grande installation du ministère de l'Énergie équipée pour fabriquer de petits lots de cellules lithium-ion. La batterie a ensuite été chargée, testé pour un comportement normal, et démonté chez Sandia's Livermore, Californie, grâce à une nouvelle méthode de tranchage des couches qui a conservé l'arrangement spatial de la cathode à l'anode.

Les chercheurs de Sandia se sont rendus au Lawrence Berkeley National Laboratory pour caractériser les matériaux avec une microscopie à rayons X à balayage (STXM) à la pointe de la technologie à la source de lumière avancée (ALS), puis retourné au site californien de Sandia pour étude par microscopie électronique à transmission (MET).

"La spectroscopie aux rayons X de l'ALS vous dit ce qu'il y a à l'intérieur d'une particule individuelle, ou où se trouve le lithium, mais il a une faible résolution spatiale. Nous avions besoin de la microscopie électronique de la même tranche pour nous dire où toutes les particules étaient réparties sur toute la couche de la batterie, " dit Chueh, une ancienne Sandia Truman Fellow qui est l'auteur principal de l'article de journal et un professeur adjoint et membre du centre au Precourt Institute of Energy de l'Université de Stanford.

L'équipe de recherche de Sandia et d'autres ont présenté leurs découvertes techniques lors de la récente réunion de printemps de la Materials Research Society à San Francisco. À la suite de cette présentation, El Gabaly a dit, d'autres chercheurs utilisent les résultats pour valider des modèles théoriques. L'équipe peut également s'associer à l'industrie, étant donné qu'une entreprise a déjà manifesté un vif intérêt pour que Sandia mène des études similaires sur différents, des matériaux de batterie plus complexes.