(Phys.org) —omniprésent mais frustrant, les batteries lithium-ion s'estompent car les matériaux perdent leur structure en réponse à la charge et à la décharge. Ce changement structurel est étroitement lié à la formation de régions riches en électrons au sein de l'électrode, selon les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Université du nord-ouest, et l'Institut polytechnique Rensselaer. L'équipe a utilisé des expériences et des simulations moléculaires pour montrer que la région riche en électrons provoque la rupture des liaisons silicium. La rupture de la liaison transforme le silicium cristallin en un alliage amorphe de lithium et de silicium.

"Ce qui se passait n'était absolument pas clair, bien que de nombreux articles décrivent comment l'insertion d'ions lithium dans des matériaux conduit à l'amorphisation, " a déclaré le Dr Fei Gao, un physicien chimiste et un auteur correspondant de l'étude. "Nous proposons que des conditions locales riches en électrons induisent une amorphisation."

Comme tout propriétaire d'un téléphone mobile le sait, les batteries lithium-ion s'estompent, stocker moins d'énergie à chaque fois qu'ils sont chargés. Heures supplémentaires, une batterie décline au point de devoir être remplacée, à un coût à la fois environnemental et financier. Cette étude explique ce qui a été vu maintes et maintes fois dans les expériences :faire fonctionner des batteries au silicium, oxyde de zinc, germanium, ou certains autres matériaux isolants conduit à des électrodes amorphisées, mais l'aluminium ou certains autres métaux restent un alliage cristallin. Les résultats de cette étude pourraient aider à concevoir des matériaux plus durables non seulement pour les téléphones portables, mais aussi pour les voitures électriques.

« Les besoins énergétiques toujours croissants de l'information et des transports reposent sur les progrès des techniques de stockage d'énergie, telles que les batteries lithium-ion en raison de leur densité d'énergie relativement élevée et de leur flexibilité de conception. Le développement rapide d'une meilleure batterie est la force motrice de la création de nouveaux matériaux pour le stockage de l'énergie, " a déclaré le Dr Chongmin Wang, expert en imagerie chimique au PNNL et investigateur de cette étude.

Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée, des ions lithium sont insérés dans l'anode, un processus connu sous le nom de lithiation. Les ions de l'anode commencent par être disposés en un réseau bien défini, mais dans certains cas, dégénérer en un fouillis amorphe. Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé des anodes de nanofils de silicium dopés au phosphore. Les nanofils ont été cultivés au Centre pour les nanotechnologies intégrées du DOE, au Laboratoire national de Los Alamos et à l'Université Northwestern, utilisant le dépôt chimique en phase vapeur.

L'équipe a apporté les nanofils à l'EMSL du DOE, situé au PNNL, et les a assemblés dans une petite batterie à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission à correction d'aberration et observé la lithiation, à la résolution du réseau. Ils ont en outre observé le comportement de ces régions avec des images de microscopie électronique à transmission à balayage et des cartes de spectroscopie de perte d'énergie électronique. Pour compléter les observations expérimentales, ils ont étudié des électrodes à base de métal à l'aide d'une méthode de dynamique moléculaire de la théorie fonctionnelle de la densité à grande échelle et ont vu se former des cristaux. L'équipe a également examiné les réactions qui aboutissent au siliciure de lithium cristallin dans des conditions riches en électrons.

Ils ont découvert que l'amorphorisation commence toujours aux interfaces entre le silicium et un alliage lithium-silicium où se produit une forte concentration localisée d'électrons. Pour s'adapter aux électrons supplémentaires et à un niveau élevé d'ions lithium entrant dans le réseau, les liaisons entre les atomes de silicium dans le réseau cristallin se brisent. Les liaisons rompues créent des atomes de silicium isolés et conduisent aux phases désordonnées.

"L'expertise à la fois sur les batteries lithium-ion et l'imagerie chimique nous a donné l'avantage, " a déclaré le Dr Louis Terminello, qui dirige l'Initiative d'imagerie chimique au PNNL, le principal commanditaire de cette étude.

Les scientifiques mènent des simulations informatiques pour soutenir les expériences visant à comprendre pleinement les batteries. Par exemple, ils continuent d'explorer le comportement du graphène, un matériau de grand intérêt pour le stockage d'énergie. Aussi, ils effectuent des travaux de calcul avec des expérimentateurs pour élucider le comportement des ions dans les matériaux de la batterie lithium-ion rechargeable, spécifiquement la cathode d'oxyde de lithium nickel manganèse.