En utilisant une nouvelle méthode pour suivre les réactions électrochimiques dans un matériau de batterie de véhicule électrique courant dans des conditions de fonctionnement, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont révélé de nouvelles informations sur les raisons pour lesquelles une charge rapide inhibe les performances de ce matériau. L'étude fournit également la première preuve expérimentale directe pour soutenir un modèle particulier de la réaction électrochimique. Les résultats, publié le 4 août 2014, dans Communication Nature , pourrait fournir des orientations pour éclairer les efforts des fabricants de batteries pour optimiser les matériaux pour des batteries à charge plus rapide avec une capacité plus élevée.
"Notre travail était axé sur le développement d'une méthode pour suivre les changements structurels et électrochimiques à l'échelle nanométrique pendant que le matériau de la batterie se chargeait, " a déclaré le physicien de Brookhaven Jun Wang, qui a dirigé la recherche. Son groupe s'intéressait particulièrement à la cartographie chimique de ce qui se passe dans le phosphate de fer et de lithium, un matériau couramment utilisé dans la cathode, ou électrode positive, des batteries de véhicules électriques-comme la batterie chargée. "Nous voulions capturer et surveiller la transformation de phase qui a lieu dans la cathode lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode, " elle a dit.
Obtenir autant d'ions lithium que possible pour passer de la cathode à l'anode à travers ce processus, connu sous le nom de délithiation, est la clé pour recharger la batterie à sa pleine capacité afin qu'elle puisse fournir de l'énergie pendant la plus longue période de temps possible. Comprendre les détails subtils des raisons pour lesquelles cela ne se produit pas toujours pourrait finalement conduire à des moyens d'améliorer les performances de la batterie, permettant aux véhicules électriques de voyager plus loin avant d'avoir besoin d'être rechargés.
Imagerie aux rayons X et empreintes chimiques
De nombreuses méthodes antérieures utilisées pour analyser de tels matériaux de batterie ont produit des données qui font la moyenne des effets sur l'ensemble de l'électrode. Ces méthodes n'ont pas la résolution spatiale nécessaire pour la cartographie chimique ou l'imagerie à l'échelle nanométrique, et sont susceptibles de négliger les éventuels effets à petite échelle et les différences locales au sein de l'échantillon, Wang a expliqué.
Pour améliorer ces méthodes, l'équipe de Brookhaven a utilisé une combinaison de plein champ, Microscopie à rayons X à transmission à résolution nanométrique (TXM) et spectroscopie à absorption de rayons X (XANES) à la National Synchrotron Light Source (NSLS), une installation utilisateur du DOE Office of Science qui fournit des faisceaux de rayons X à haute intensité pour des études dans de nombreux domaines scientifiques. Ces rayons X peuvent pénétrer le matériau pour produire à la fois des images haute résolution et des données spectroscopiques - une sorte d'« empreinte digitale » électrochimique qui révèle, pixel par pixel, où les ions lithium restent dans le matériau, où ils ont été enlevés en ne laissant que du phosphate de fer, et d'autres détails électrochimiques potentiellement intéressants.
Les scientifiques ont utilisé ces méthodes pour analyser des échantillons composés de plusieurs particules nanométriques dans une électrode de batterie réelle dans des conditions de fonctionnement (in operando). Mais comme il peut y avoir beaucoup de chevauchement de particules dans ces échantillons, ils ont également mené la même étude in operando en utilisant de plus petites quantités de matériau d'électrode que celles que l'on trouverait dans une batterie typique. Cela leur a permis de mieux comprendre comment la réaction de délithiation se déroule au sein des particules individuelles sans chevauchement. Ils ont étudié chaque système (particules multiples et particules individuelles) dans deux scénarios de charge différents :rapide (comme dans une station de recharge de véhicule électrique), et lent (utilisé lors du branchement de votre véhicule à la maison pendant la nuit).
Comprendre pourquoi le taux de charge est important
Ces images animées de particules individuelles, prise pendant la charge de l'électrode, montrent que les phases de phosphate de fer lithié (rouge) et délithié (vert) coexistent au sein de particules individuelles. Cette constatation appuie directement un modèle dans lequel la transformation de phase procède d'une phase à l'autre sans l'existence d'une phase intermédiaire.
Les images détaillées et les informations spectroscopiques révèlent un aperçu sans précédent des raisons pour lesquelles une charge rapide réduit la capacité de la batterie. Au taux de charge rapide, les images pixel par pixel montrent que la transformation du phosphate de fer lithié en phosphate de fer délithié se déroule de manière inhomogène. C'est-à-dire, dans certaines régions de l'électrode, tous les ions lithium sont éliminés ne laissant que du phosphate de fer, tandis que les particules dans d'autres zones ne montrent aucun changement, conservant leurs ions lithium. Même à l'état "complètement chargé", certaines particules retiennent le lithium et la capacité de l'électrode est bien en deçà du niveau maximum.
"C'est la première fois que quelqu'un a pu voir que la délithiation se produisait différemment à différents emplacements spatiaux sur une électrode dans des conditions de charge rapide, " a déclaré Jun Wang.
Charge plus lente, en revanche, permet une délithiation homogène, où les particules de phosphate de fer et de lithium dans toute l'électrode se transforment progressivement en phosphate de fer pur - et l'électrode a une capacité plus élevée.
Implications pour une meilleure conception de la batterie
Les scientifiques savent depuis un certain temps qu'une charge lente est meilleure pour ce matériau, "mais les gens ne veulent pas charger lentement, " a déclaré Jiajun Wang, l'auteur principal de l'article. "Au lieu, nous voulons savoir pourquoi la charge rapide donne une capacité inférieure. Nos résultats offrent des indices pour expliquer pourquoi, et pourrait donner des conseils à l'industrie pour les aider à développer une future batterie à charge rapide/haute capacité, " il a dit.
Par exemple, la transformation de phase peut se produire plus efficacement dans certaines parties de l'électrode que dans d'autres en raison d'incohérences dans la structure physique ou la composition de l'électrode, par exemple, son épaisseur ou sa porosité. « Donc, plutôt que de se concentrer uniquement sur les caractéristiques individuelles des matériaux de la batterie, les fabricants voudront peut-être chercher des moyens de préparer l'électrode de manière à ce que toutes les parties soient identiques, donc toutes les particules peuvent être impliquées dans la réaction au lieu de quelques-unes seulement, " il a dit.
L'étude des particules individuelles a également détecté, pour la première fois, la coexistence de deux phases distinctes - phosphate de fer lithié et délithié, ou pur, phosphate de fer-à l'intérieur de particules simples. Cette constatation confirme un modèle de la transformation de la phase de délithiation, à savoir qu'elle passe d'une phase à l'autre sans l'existence d'une phase intermédiaire.
"Ces découvertes fournissent la base fondamentale pour le développement de matériaux de batterie améliorés, " a déclaré Jun Wang. " De plus, ce travail démontre la capacité unique d'appliquer des techniques d'imagerie et de spectroscopie à l'échelle nanométrique pour comprendre les matériaux de batterie avec un mécanisme complexe dans des conditions de fonctionnement réelles de la batterie."
Le document note que cette approche in operando pourrait être appliquée dans d'autres domaines, telles que les études de piles à combustible et de catalyseurs, et en sciences environnementales et biologiques.
Les futures études utilisant ces techniques au NSLS-II-qui produira des rayons X 10, 000 fois plus lumineuses que celles de la NSLS - auront une résolution encore plus grande et fourniront un aperçu plus approfondi des caractéristiques physiques et électrochimiques de ces matériaux, permettant ainsi aux scientifiques de mieux comprendre comment ces propriétés affectent les performances.
