Un appareil utilisé pour charger des piles boutons au lithium-ion à différentes vitesses avec différents niveaux de courant au Stanford Institute for Materials Science and Engineering. Les résultats indiquent que les avantages d'une vidange et d'une charge lentes ont peut-être été surestimés. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Un examen complet du comportement de minuscules particules dans une électrode de batterie lithium-ion montre que la charge rapide de la batterie et son utilisation pour faire de la haute puissance, le travail de vidange rapide peut ne pas être aussi dommageable que les chercheurs l'avaient pensé - et que les avantages d'une vidange et d'une charge lentes ont peut-être été surestimés.
Les résultats remettent en cause l'opinion dominante selon laquelle la « suralimentation » des batteries est toujours plus difficile pour les électrodes de batterie que de charger à des vitesses plus lentes, selon des chercheurs de l'Université de Stanford et du Stanford Institute for Materials &Energy Sciences (SIMES) du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie.
Ils suggèrent également que les scientifiques pourraient être en mesure de modifier les électrodes ou de changer la façon dont les batteries sont chargées pour favoriser une charge et une décharge plus uniformes et prolonger la durée de vie des batteries.
"La finesse des détails de ce qui se passe dans une électrode pendant la charge et la décharge n'est qu'un des nombreux facteurs qui déterminent la durée de vie de la batterie, mais c'est celui qui, jusqu'à cette étude, n'a pas été suffisamment compris, " a déclaré William Chueh de SIMES, professeur adjoint au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Stanford et auteur principal de l'étude. "Nous avons trouvé une nouvelle façon de penser à la dégradation de la batterie."
Les résultats, il a dit, peut être directement appliqué à de nombreuses électrodes en oxyde et en graphite utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales d'aujourd'hui et dans environ la moitié de celles en cours de développement.
Son équipe a décrit l'étude le 14 septembre 2014, en Matériaux Naturels. L'équipe comprenait des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology, Laboratoires nationaux Sandia, Samsung Advanced Institute of Technology America et Lawrence Berkeley National Laboratory.
Yiyang Li, étudiant diplômé de l'Université de Stanford, teste des piles bouton au lithium-ion à l'Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie. Li et ses collègues ont étudié comment des milliards de nanoparticules dans l'électrode positive de la batterie réagissent à divers taux de charge et de décharge. Les résultats montrent qu'une charge et une vidange rapides de la batterie peuvent ne pas être aussi dommageables qu'on ne le pensait auparavant. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Regarder les ions dans les tranches de batterie
Une source importante d'usure de la batterie est le gonflement et le rétrécissement des électrodes négatives et positives car elles absorbent et libèrent des ions de l'électrolyte pendant la charge et la décharge.
Pour cette étude, les scientifiques ont examiné une électrode positive constituée de milliards de nanoparticules de phosphate de fer et de lithium. Si la plupart ou la totalité de ces particules participent activement à la charge et à la décharge, ils absorberont et libéreront les ions plus doucement et uniformément. Mais si seulement un petit pourcentage de particules absorbe tous les ions, ils sont plus susceptibles de se fissurer et de se ruiner, dégradant les performances de la batterie.
Des études antérieures ont produit des points de vue contradictoires sur le comportement des nanoparticules. Pour aller plus loin, les chercheurs ont fabriqué de petites piles boutons, les a chargés avec différents niveaux de courant pendant différentes périodes de temps, les a rapidement démontés et rincé les composants pour arrêter le processus de charge/décharge. Ensuite, ils ont coupé l'électrode en tranches extrêmement fines et les ont emmenées au laboratoire de Berkeley pour un examen avec des rayons X intenses du synchrotron Advanced Light Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Un chercheur de Stanford/SLAC tient l'électrode positive d'une pile bouton au lithium-ion utilisée dans les expériences. Les scientifiques ont chargé ces batteries avec différents niveaux de courant pendant différentes périodes de temps, les a démontés et a utilisé un faisceau de rayons X brillant pour voir comment la charge était répartie entre des milliards de nanoparticules dans l'électrode positive. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Nouvelles informations sur une décharge plus rapide
« Nous avons pu examiner des milliers de nanoparticules d'électrodes à la fois et en obtenir des instantanés à différentes étapes de la charge et de la décharge, " a déclaré Yiyang Li, étudiant diplômé de Stanford, auteur principal du rapport. "Cette étude est la première à le faire de manière exhaustive, dans de nombreuses conditions de charge et de décharge."
Analyser les données à l'aide d'un modèle sophistiqué développé au MIT, les chercheurs ont découvert que seul un faible pourcentage de nanoparticules absorbait et libérait des ions pendant la charge, même quand cela a été fait très rapidement. Mais quand les batteries se sont déchargées, une chose intéressante s'est produite :lorsque le taux de décharge a augmenté au-dessus d'un certain seuil, de plus en plus de particules ont commencé à absorber des ions simultanément, passer à un mode plus uniforme et moins dommageable. Cela suggère que les scientifiques pourraient être en mesure de modifier le matériau de l'électrode ou le processus pour obtenir des taux de charge et de décharge plus rapides tout en maintenant une longue durée de vie de la batterie.
L'étape suivante, Li a dit, est de faire passer les électrodes de la batterie sur des centaines à des milliers de cycles pour imiter les performances du monde réel. Les scientifiques espèrent également prendre des instantanés de la batterie pendant qu'elle se charge et se décharge, plutôt que d'arrêter le processus et de le démonter. Cela devrait donner une vue plus réaliste, et peut être fait dans des synchrotrons tels que l'ALS ou la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC, également une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science. Li a déclaré que le groupe avait également travaillé avec l'industrie pour voir comment ces résultats pourraient s'appliquer aux secteurs des transports et de l'électronique grand public.
