Les chercheurs ont mis au point un moyen de visualiser au microscope les électrodes de la batterie lorsqu'elles sont baignées dans des électrolytes humides, imitant des conditions réalistes à l'intérieur de batteries réelles. Alors que les chercheurs en sciences de la vie utilisent régulièrement la microscopie électronique à transmission pour étudier les environnements humides, cette fois, les scientifiques l'ont appliqué avec succès à la recherche sur les batteries rechargeables.

Les résultats, rapporté dans le numéro du 11 décembre de Lettres nano , sont de bonnes nouvelles pour les scientifiques qui étudient les matériaux des batteries dans des conditions sèches. Les travaux ont montré que de nombreux aspects peuvent être étudiés en conditions sèches, qui sont beaucoup plus faciles à utiliser. Cependant, des conditions humides sont nécessaires pour étudier la couche d'interphase d'électrolyte solide difficile à trouver, un revêtement qui s'accumule sur la surface de l'électrode et influence considérablement les performances de la batterie.

"La cellule liquide nous a donné des informations globales sur le comportement des électrodes dans un environnement de batterie, " a déclaré le scientifique des matériaux Chongmin Wang du laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest du ministère de l'Énergie. " Et cela nous aidera à trouver la couche d'électrolyte solide. Il a été difficile de visualiser directement avec suffisamment de détails. »

Reflux, Couler, Se gonfler

Même si l'électricité semble invisible, son stockage et son utilisation dans des batteries ont des effets très physiques. La charge d'une batterie bloque les électrons dans l'électrode négative, où les ions lithium chargés positivement (ou un autre ion métallique tel que le sodium) se précipitent pour rencontrer et retenir les électrons. Ces ions doivent entrer dans les pores de l'électrode.

L'alimentation d'un appareil avec une batterie fait sortir les électrons de l'électrode. Les ions positifs, laissé derrière, déferler à travers le corps de la batterie et revenir à l'électrode positive, où ils attendent une autre charge.

Wang et ses collègues ont utilisé des microscopes à haute puissance pour observer comment le flux et le reflux des ions chargés positivement déforment les électrodes. Presser dans les pores de l'électrode fait gonfler les électrodes, et une utilisation répétée peut les user. Par exemple, des travaux récents financés par le Joint Center for Energy Storage Research - un centre d'innovation énergétique du DOE créé pour accélérer le développement des batteries - ont montré que les ions sodium laissent des bulles derrière eux, potentiellement interférer avec le fonctionnement de la batterie.

Mais jusqu'à ce point, les microscopes électroniques à transmission n'ont pu accueillir que des piles sèches, que les chercheurs appellent des cellules ouvertes. Dans une vraie batterie, les électrodes baignent dans des électrolytes liquides qui fournissent un environnement dans lequel les ions peuvent facilement se déplacer.

Donc, travailler avec les collègues du JCESR, Wang a dirigé le développement d'une cellule de batterie humide dans un microscope électronique à transmission à l'EMSL, le Laboratoire de Sciences Moléculaires Environnementales du DOE sur le campus du PNNL. L'équipe a construit une batterie si petite que plusieurs pourraient tenir sur un sou. La batterie avait une électrode de silicium et une électrode de lithium métallique, tous deux contenus dans un bain d'électrolyte.

Couche mystère

Lorsque l'équipe a chargé la batterie, ils ont vu l'électrode de silicium gonfler, comme prévu. Cependant, en conditions sèches, l'électrode est fixée à une extrémité à la source de lithium - et le gonflement commence à une seule extrémité lorsque les ions pénètrent, créer un bord d'attaque. Dans la cellule liquide de cette étude, le lithium pourrait pénétrer dans le silicium n'importe où le long de la longueur de l'électrode. L'équipe a observé l'électrode gonflée sur toute sa longueur en même temps.

"L'électrode est devenue de plus en plus grosse uniformément. C'est ainsi que cela se produirait à l'intérieur d'une batterie, " dit Wang.

La quantité totale de gonflement de l'électrode était à peu près la même, bien que, si les chercheurs ont installé une cellule de batterie sèche ou humide. Cela suggère que les chercheurs peuvent utiliser l'une ou l'autre des conditions pour étudier certains aspects des matériaux des batteries.

"Nous avons étudié les matériaux de batterie avec le sec, cellule ouverte depuis cinq ans, " a déclaré Wang. " Nous sommes heureux de découvrir que la cellule ouverte fournit des informations précises sur le comportement chimique des électrodes. C'est beaucoup plus facile à faire, nous continuerons donc à les utiliser."

En ce qui concerne la couche d'interphase d'électrolyte solide insaisissable, Wang a dit qu'ils ne pouvaient pas le voir dans cette première expérience. Dans les expériences futures, ils essaieront de réduire l'épaisseur de la couche humide d'au moins la moitié pour augmenter la résolution, qui pourrait fournir suffisamment de détails pour observer la couche d'interphase d'électrolyte solide.

"La couche est perçue comme ayant des propriétés particulières et influençant les performances de charge et de décharge de la batterie, " dit Wang. " Cependant, les chercheurs n'ont pas une compréhension ou une connaissance concise de la façon dont il se forme, sa structure, ou sa chimie. Aussi, comment cela change avec des charges et des décharges répétées reste incertaine. C'est un truc très mystérieux. Nous nous attendons à ce que la cellule liquide nous aide à découvrir cette couche mystérieuse."