Le diagramme illustre le processus de charge ou de décharge de l'électrode au lithium fer phosphate (LFP). Comme les ions lithium sont éliminés pendant le processus de charge, il forme une zone de phosphate de fer appauvri en lithium (PF), mais entre les deux, il y a une zone de solution solide (SSZ, représenté en bleu-vert foncé) contenant des atomes de lithium répartis aléatoirement, contrairement au réseau ordonné d'atomes de lithium dans le matériau cristallin d'origine (bleu clair). Ce travail fournit les premières observations directes de ce phénomène de SSZ. Crédit :MIT
De nouvelles observations par des chercheurs du MIT ont révélé le fonctionnement interne d'un type d'électrode largement utilisé dans les batteries lithium-ion. Les nouvelles découvertes expliquent la puissance étonnamment élevée et la longue durée de vie de ces batteries, disent les chercheurs.
Les résultats apparaissent dans un article de la revue Nano lettres co-écrit par le postdoctorant du MIT Jun Jie Niu, chercheur Akihiro Kushima, les professeurs Yet-Ming Chiang et Ju Li, et trois autres.
Le matériau d'électrode étudié, phosphate de fer et de lithium (LiFePO4), est considéré comme un matériau particulièrement prometteur pour les batteries rechargeables à base de lithium ; il a déjà été démontré dans des applications allant des outils électriques aux véhicules électriques en passant par le stockage en réseau à grande échelle. Les chercheurs du MIT ont découvert qu'à l'intérieur de cette électrode, pendant la charge, une zone de solution solide (SSZ) se forme à la frontière entre les zones riches en lithium et appauvries en lithium - la région où l'activité de charge est concentrée, lorsque les ions lithium sont retirés de l'électrode.
Li dit que cette SSZ "a été théoriquement prédite pour exister, mais nous le voyons directement pour la première fois, " dans les vidéos au microscope électronique à transmission (MET) prises pendant la charge.
Les observations aident à résoudre une énigme de longue date sur LiFePO4 :sous forme de cristal en vrac, à la fois le phosphate de fer lithium et le phosphate de fer (FePO4, qui reste lorsque les ions lithium migrent hors du matériau pendant la charge) ont de très mauvaises conductivités ionique et électrique. Pourtant, lorsqu'il est traité - avec dopage et revêtement de carbone - et utilisé comme nanoparticules dans une batterie, le matériau présente un taux de charge incroyablement élevé. « C'était assez surprenant lorsque ce [taux de charge et de décharge rapides] a été démontré pour la première fois, " dit Li.
"Nous avons directement observé une solution solide aléatoire métastable qui pourrait résoudre ce problème fondamental qui intrigue [les scientifiques des matériaux] depuis de nombreuses années, " dit Li, le Battelle Energy Alliance, professeur de science et d'ingénierie nucléaires et professeur de science et d'ingénierie des matériaux.
La SSZ est un état "métastable", persistant au moins plusieurs minutes à température ambiante. Remplacement d'une interface nette entre LiFePO4 et FePO4 qui s'est avérée contenir de nombreux défauts de ligne supplémentaires appelés "dislocations, " la SSZ sert de tampon, réduire le nombre de dislocations qui autrement se déplaceraient avec le front de réaction électrochimique. "On ne voit pas de luxations, " dit Li. Cela pourrait être important car la génération et le stockage de dislocations peuvent provoquer de la fatigue et limiter la durée de vie d'une électrode.
Contrairement à l'imagerie TEM conventionnelle, la technique utilisée dans ce travail, développé en 2010 par Kushima et Li, permet d'observer les composants de la batterie lorsqu'ils se chargent et se déchargent, qui peuvent révéler des processus dynamiques. « Au cours des quatre dernières années, il y a eu une grande explosion de l'utilisation de ces techniques MET in situ pour étudier le fonctionnement des batteries, " dit Li.
Une meilleure compréhension de ces processus dynamiques pourrait améliorer les performances d'un matériau d'électrode en permettant un meilleur réglage de ses propriétés, dit Li.
Malgré une compréhension incomplète à ce jour, les nanoparticules de lithium fer phosphate sont déjà utilisées à l'échelle industrielle pour les batteries lithium-ion, Li explique. "La science est en retard sur l'application, " dit-il. " Il est déjà mis à l'échelle et très réussi sur le marché. C'est l'une des réussites de la nanotechnologie."
"Par rapport au lithium-ion traditionnel, [phosphate de fer au lithium] est respectueux de l'environnement, et très stable, " dit Niu. " Mais il est important que ce matériel soit bien compris. "
Alors que la découverte de la SSZ a été faite dans LiFePO4, Li dit, "Le même principe peut s'appliquer à d'autres matériaux d'électrode. Les gens recherchent des matériaux d'électrode de haute puissance, et de tels états métastables pourraient exister dans d'autres matériaux d'électrode qui sont inertes sous forme massive. … Le phénomène découvert pourrait être très général, et non spécifique à ce matériau."
Chongmin Wang, un chercheur du Pacific Northwest National Laboratory qui n'a pas participé à cette recherche, appelle ce document « excellent travail ».
« Plusieurs modèles basés à la fois sur des travaux théoriques et expérimentaux ont été proposés, " dit Wang. " Cependant, aucun d'entre eux ne semble être concluant."
Cette nouvelle recherche, il dit, « fournit des preuves convaincantes et directes » du mécanisme à l'œuvre :« Le travail est une avancée majeure pour repousser les ambiguïtés vers un modèle de solution solide.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
