(Phys.org) —Les batteries lithium-ion sont au cœur énergétique de presque tout ce qui concerne la technologie, des téléphones portables aux tablettes en passant par les véhicules électriques. C'est parce qu'ils sont une technologie éprouvée, léger, durable et puissant. Mais ils ne sont pas parfaits.

"Vous pouvez profiter de sept ou huit heures d'autonomie de votre iPhone avec une seule charge, peut-être un jour, " dit Reza Shahbazian-Yassar, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université technologique du Michigan. "Ce n'est pas suffisant pour beaucoup d'entre nous. Une voiture entièrement électrique, comme la Nissan Leaf, peut parcourir jusqu'à 100 miles avec une seule charge. Pour faire appel à un marché de masse, il devrait être d'environ 300 milles. Nous voulons augmenter la puissance de ces systèmes."

Pour tirer plus de puissance des batteries lithium-ion, les scientifiques expérimentent avec différents matériaux et conceptions. Cependant, l'action importante dans une batterie se produit au niveau atomique, et il a été pratiquement impossible de savoir exactement ce qui se passe à une telle échelle. Maintenant, Yassar a développé un appareil qui permet aux chercheurs d'écouter les ions lithium individuels et potentiellement de développer la prochaine génération de batteries.

Les piles sont assez simples. Ils ont trois composants principaux :une anode, une cathode et un électrolyte entre les deux. Dans les batteries au lithium, les ions lithium vont et viennent entre l'anode et la cathode lorsque la batterie se décharge et se recharge à nouveau. Les anodes des batteries lithium-ion sont généralement en graphite, mais les scientifiques testent d'autres matériaux pour voir s'ils peuvent durer plus longtemps.

"Dès que le lithium entre dans une électrode, il stresse la matière, aboutissant finalement à un échec, " a déclaré Yassar. " C'est pourquoi beaucoup de ces matériaux peuvent contenir beaucoup de lithium, mais ils finissent par s'effondrer rapidement.

"Si nous pouvions observer ces changements dans l'électrode hôte, en particulier au tout début de la charge, nous pourrions proposer des stratégies pour résoudre ce problème."

Il y a dix ans, observer des éléments légers comme le lithium ou l'hydrogène au niveau atomique aurait été hors de question. Maintenant, cependant, il est possible de voir des atomes légers avec un microscope électronique à transmission à balayage à correction d'aberration (AC-STEM). L'équipe de Yassar a pu utiliser une courtoisie de l'Université de l'Illinois à Chicago, où il est professeur agrégé invité.

Pour déterminer comment l'électrode hôte change lorsque les ions lithium y pénètrent, l'équipe a construit une nano-batterie dans le microscope AC-STEM en utilisant un nouveau matériau d'électrode prometteur, oxyde d'étain, ou SnO2. Puis, ils l'ont regardé charger.

"Nous voulions surveiller les changements de l'oxyde d'étain à la frontière même du mouvement lithium-ion au sein de l'électrode SnO2, et nous l'avons fait, " a déclaré Yassar. "Nous avons pu observer comment les ions lithium individuels pénètrent dans l'électrode."

Les ions lithium se sont déplacés le long de canaux spécifiques lorsqu'ils ont coulé dans les cristaux d'oxyde d'étain au lieu de pénétrer de manière aléatoire dans les atomes hôtes. Sur la base de ces données, les chercheurs ont pu calculer la contrainte exercée par les ions sur les électrodes.

La découverte a suscité des demandes de renseignements d'industries et de laboratoires nationaux intéressés à utiliser sa capacité de résolution atomique dans leurs propres travaux de développement de batteries.

"C'est très excitant, " a déclaré Yassar. " Il y a tellement d'options pour les électrodes, et maintenant nous avons ce nouvel outil qui peut nous dire exactement ce qui se passe avec eux. Avant, nous ne pouvions pas voir ce qui se passait; nous ne faisions que deviner."