À gauche :dessin animé illustrant le concept de dégradation induite par un faisceau d'électrons des électrolytes des batteries lithium-ion dans des conditions similaires à celles du fonctionnement de la batterie. Une cellule fluide est analysée avec un microscope électronique à transmission à balayage, ou STEM. Les électrons dans le solvant et d'autres espèces radicalaires induites par faisceau d'électrons interagiront par le biais de réactions chimiques secondaires avec un sel de lithium et un solvant. À droite :image STEM montrant un claquage induit par un faisceau d'électrons - les deux grands, particules sombres - de sel de lithium dans un mélange d'électrolytes.
(Phys.org) - Une équipe dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory a découvert des informations sur les batteries à forte demande qui pourraient améliorer un composant essentiel ayant un impact sur leurs performances et leur longévité. Les scientifiques ont caractérisé la stabilité et les mécanismes de dégradation interconnectés des électrolytes couramment utilisés pour le lithium-ion, ou Li-ion, piles. Ils ont obtenu des données d'imagerie chimique détaillées à l'aide d'une platine liquide environnementale dans un microscope électronique à transmission à balayage (STEM).
Développer de nouvelles technologies de batteries, de nouveaux électrolytes avec une stabilité électrochimique accrue sont nécessaires, de préférence des électrolytes solides tels que des complexes inorganiques ou salins. La recherche de ces électrolytes nécessite des outils non invasifs pouvant être utilisés in situ au niveau de la taille des particules actives - l'échelle nanométrique - pour observer les processus qui se produisent pendant le fonctionnement de la batterie. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé STEM.
"Actuellement, STEM est la seule technique expérimentale qui donne des informations à l'échelle nanométrique lors du fonctionnement des batteries lithium-ion, " a déclaré le Dr Nigel Browning, Directeur scientifique de l'Initiative d'imagerie chimique du PNNL. "L'étage liquide in situ dans un STEM permet de caractériser les réactions à l'intérieur d'une batterie en temps réel. Cette étude est une preuve de principe de l'approche STEM qui évite l'analyse post-mortem standard des produits de dégradation de l'électrolyte de lithium."
La caractérisation détaillée offerte par le STEM au stade liquide peut fournir des informations uniques sur le comportement des électrolytes, soit pour une utilisation dans de futures études de batteries in situ, soit pour tester de nouveaux électrolytes, vanter la bibliothèque de solutions candidates pour une caractérisation plus poussée et réduire le temps expérimental consacré aux électrolytes moins efficaces.
Dans leur étude, les scientifiques ont exploré la stabilité de cinq électrolytes différents couramment utilisés pour les applications de batteries Li-ion et LiO2 :trois qui contenaient du sel d'hexafluoroarséniate de lithium, un contenant de l'hexafluorophosphate de lithium, et un contenant du triflate de lithium.
Les chercheurs ont placé des chambres environnementales miniatures avec différents électrolytes sur le trajet du faisceau d'électrons du STEM. En permettant d'examiner les électrolytes à l'état liquide, même lorsqu'il est inséré dans le vide poussé du microscope, ces chambres ont simulé ce qui se trouve à l'intérieur d'une batterie réelle. Puis, le faisceau d'électrons a provoqué une réaction électrochimique localisée à l'intérieur de la cellule liquide qui a accéléré la dégradation de l'électrolyte - la rupture d'une gamme de complexes inorganiques/sels. Le microscope a acquis des images en temps réel avec une résolution à l'échelle nanométrique, montrant les premiers stades de la nucléation des dommages.
Les scientifiques ont également utilisé la spectroscopie de perte d'énergie électronique pour vérifier la présence de l'électrolyte et mesurer d'autres paramètres expérimentaux.
"Chaque électrolyte s'est comporté différemment dans l'analyse, " a déclaré le Dr Patricia Abellan, un post-doctorant du PNNL et scientifique des matériaux. "La stabilité des électrolytes étudiés ici est en corrélation avec les tendances électrochimiques rapportées dans la littérature, ce qui suggère que cette technique pourrait potentiellement donner de nouvelles informations sur les processus de réduction et de dégradation qui ont lieu pendant le fonctionnement des batteries lithium-ion. »
Une fois l'effet des électrons d'imagerie entièrement calibré, cette approche pourrait potentiellement fournir des informations sur les mécanismes de dégradation qui se produisent au cours des premières étapes de l'interphase des électrolytes solides, ou SEI, formation, qui isole électriquement l'électrolyte et empêche toute détérioration supplémentaire.
"Un jour dans un futur proche, in situ STEM pourrait être utilisé pour étudier différents processus par visualisation directe et en temps réel, " Abellan a déclaré. "Nous pourrions l'utiliser pour optimiser les électrolytes de pointe actuels et de prochaine génération."
