Ces figures montrent la structure de type fromage suisse d'une feuille d'oxyde de nickel ultrafine, utilisé comme électrode dans une batterie lithium-ion :(a) avant le fonctionnement de la batterie; (b) pendant la décharge; (c) pendant la charge ; et (d) après un cycle complet de décharge et de charge. Les flèches bleues indiquent la direction des réactions chimiques se propageant à travers le matériau pendant le fonctionnement de la batterie. Crédit :F. Lin et al./Nature Communications
(Phys.org) — « fenêtres intelligentes de haute technologie, " qui s'assombrissent pour filtrer la lumière du soleil en réponse au courant électrique, fonctionnent un peu comme les piles. Maintenant, Les études aux rayons X au SLAC fournissent une vision claire du comportement du matériau qui change de couleur dans ces fenêtres dans une batterie en état de fonctionnement - des informations qui pourraient bénéficier aux batteries rechargeables de nouvelle génération.
Les chercheurs ont installé des feuilles ultrafines de matériau pour fenêtres intelligentes, oxyde de nickel, comme anode dans une batterie lithium-ion, et a utilisé la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC et l'équipement d'autres laboratoires pour étudier sa chimie changeante et ses caractéristiques 3D.
« Nous sommes passés du changement de couleur de ces matériaux à leur utilisation pour stocker des ions lithium, mais le principe est le même " a déclaré Feng Lin du Laboratoire national Lawrence Berkeley, auteur principal de l'étude, Publié dans Communication Nature .
Les fenêtres intelligentes ont plusieurs couches de verre qui prennent en sandwich des films ultrafins ou des revêtements nanocristallins de matériaux, comme l'oxyde de nickel. Lorsqu'un petit champ électrique est appliqué, la charge se déplace à travers le verre jusqu'au matériau ultrafin, qui sert d'électrode, et la fenêtre passe du clair au foncé.
Des études antérieures ont montré que l'interaction de ces matériaux minces spécialisés avec le verre environnant provoque des changements structurels qui facilitent le flux de charge électrique à travers le verre - une propriété qui est également bénéfique pour les batteries.
Dans cette étude, qui utilise de l'oxyde de nickel comme électrode de batterie, les chercheurs ont pu voir pour la première fois exactement ce qui se passe lorsque les ions lithium de la batterie entrent en contact avec la couche d'oxyde de nickel et comment la réaction qui en résulte se propage à partir de plusieurs points différents.
"Ça commence comme une graine, " dit Tsu-Chien Weng, un scientifique du SSRL qui a collaboré à la recherche. "Ensuite, il y a plusieurs fronts différents pour la réaction, et finalement un cadre métallique est formé.
En outre, les chercheurs ont observé comment la surface du matériau d'oxyde de nickel "respire" lorsque la batterie se charge et se décharge.
"Nous avons trouvé cette couche qui poussait à la surface, construire, " a déclaré Dennis Nordlund, un scientifique du SSRL qui a participé à la recherche. "Puis la couche s'en va. Elle disparaît presque complètement. C'est comme une couche qui respire. Ce n'est pas forcément spécifique à l'oxyde de nickel, et cela a de larges implications pour les matériaux des batteries."
Cette accumulation cyclique de dépôts de l'électrolyte, généralement appelée interface électrode-électrolyte, fait partie intégrante de la plupart des matériaux de batterie, mais a été "un peu un mystère, " Nordlund a dit, car il est généralement difficile à étudier pendant le fonctionnement d'une batterie.
Dans une batterie lithium-ion typique, les ions lithium chargés migrent à travers une solution chimique - l'électrolyte - dans l'anode lorsque la batterie est en charge et dans l'électrode opposée, appelé cathode, lorsque la batterie se décharge.
Parce que la couche de respiration observée sur le matériau d'oxyde de nickel s'accumule mais disparaît ensuite, il pourrait potentiellement limiter la croissance des « dendrites, " Des doigts de lithium en forme d'arbre qui sont connus pour se former sur d'autres types de matériaux de batterie et altérer les performances de la batterie.
"Si vous pouvez faire du vélo et vous débarrasser de la couche afin qu'elle ne s'accumule pas avec le temps, ce serait un énorme pas en avant, " a déclaré Nordlund.
Les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de spectroscopie d'absorption des rayons X au SSRL pour sonder le matériau d'oxyde de nickel à des profondeurs d'environ 5 et 50 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, pendant le fonctionnement de la batterie.
« Il s'avère que ces différentes profondeurs de sondage sont parfaitement adaptées à l'étude de la structure électronique à la surface des matériaux des batteries, " Nordlund a dit, ajoutant que ces capacités à SSRL ouvrent une fenêtre pour explorer de nombreux matériaux dans des états actifs. « Nous nous sentons vraiment dans une position unique pour résoudre de nombreux problèmes différents en science de l'énergie en utilisant cette même méthodologie. »
Les outils exploratoires à rayons X du SLAC et d'autres laboratoires collaborateurs ont été essentiels pour comprendre les propriétés du matériau d'oxyde de nickel à l'échelle nanométrique, dit Ryan Richards, un professeur de chimie à la Colorado School of Mines qui a participé à l'étude.
"Nous avons soumis un certain nombre de propositions pour examiner différents types de matériaux - comment ils se forment et quelles propriétés ont leurs surfaces, ", a déclaré Richards. Il a déclaré que sa collaboration continue avec le personnel de SSRL "s'épanouit vraiment en une belle relation".
Les résultats de la SSRL ont été couplés à d'autres découvertes de collaborateurs, y compris des images 3D détaillées et des films produits au Brookhaven National Laboratory. Huolin Xin de Brookhaven Lab a réuni l'équipe de recherche, qui comprenait également des scientifiques du National Renewable Energy Laboratory et de l'Université Monash en Australie.
