Une nouvelle méthode développée pour étudier les défaillances des batteries indique la prochaine étape potentielle dans l'extension de la durée de vie et de la capacité des batteries lithium-ion, ouvrir la voie à une utilisation plus large de ces batteries en conjonction avec des sources d'énergie renouvelables

Les batteries lithium-ion alimentent les appareils mobiles et les voitures électriques et aident à stocker de l'énergie renouvelable, encore des sources d'énergie intermittentes telles que l'éolien et le solaire. Mais de nombreux cycles de charge et de décharge entraînent des pannes de batterie et une perte de capacité, limitant leur durée de vie utile.

Une nouvelle technique de rayons X utilisée à la source de photons avancée du département américain de l'Énergie a révélé une dynamique surprenante dans la nanomécanique du fonctionnement des batteries et suggère un moyen d'atténuer les défaillances des batteries en minimisant la génération d'énergie élastique.

Les ions lithium sollicitent le matériau lorsqu'ils font la navette entre les électrodes et peuvent même altérer sa structure, qui conduisent à des défauts. Les conceptions d'électrodes plus résistantes reposeront sur une compréhension fondamentale des interactions entre les ions lithium et les électrodes au sein de la structure d'une batterie. Mais jusqu'à présent, les scientifiques ont été incapables de caractériser suffisamment le comportement des nanoparticules individuelles dans les batteries dans des conditions de fonctionnement réelles.

En utilisant l'imagerie diffractive cohérente des rayons X, une équipe de chercheurs pour l'APS, l'Université de Californie-San Diego, Le SLAC National Accelerator Laboratory et le Center for Free-Electron Laser Science ont cartographié la contrainte tridimensionnelle des nanoparticules individuelles dans les électrodes des piles boutons en fonctionnement, comme ceux trouvés dans les montres. Dans un article récemment publié dans Lettres nano , l'équipe a rapporté des preuves que l'histoire des cycles de charge modifie les modèles de contrainte dans les particules individuelles du matériau de l'électrode.

Cette nouvelle approche permettra de révéler les processus fondamentaux qui sous-tendent le transfert de charge électrique, un aperçu qui pourrait aider à orienter la conception de batteries économiques avec une durée de vie utile plus longue.

Cette découverte n'a été rendue possible que par la possibilité d'étendre l'utilisation du CDI pour étudier le cyclage des batteries dans des conditions de fonctionnement en lecture.

L'APS est l'un des rares endroits où cette recherche peut être effectuée.

"L'imagerie par diffraction cohérente Bragg (Bragg-CDI) est une technique qui n'utilise que la partie cohérente du faisceau. De plus, il peut sélectionner des nanocristaux uniques en fonction de leur structure cristalline, et cartographier l'évolution de la contrainte à l'intérieur de la nanostructure au fur et à mesure que toute la batterie est cyclée." a déclaré Ross Harder, auteur sur les papiers et physicien des rayons X à l'APS. « La haute brillance de l'APS à haute énergie de photons est une condition nécessaire pour poursuivre ce type de recherche sur des nanoparticules individuelles à l'intérieur de leur matrice intacte. La mise à niveau de l'APS avec nous permettra d'examiner des systèmes à l'échelle nanométrique de cette nature complexe avec des ordres de grandeur plus rapides. , sensibilité et résolution, " a déclaré Jörg Maser, co-auteur des articles et physicien des rayons X à l'APS.

Ce travail a été financé par le DOE Office of Science et le prix des collaborateurs interdisciplinaires du chancelier de l'UC San Diego. L'APS est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science du laboratoire national d'Argonne.

Hyung-Man Cho et Jong Woo Kim, étudiants diplômés en science et ingénierie des matériaux à l'UC-Davis, Jörg Maser et Ross Harder du Argonne National Laboratory et Jesse Clark du SLAC National Accelerator Laboratory ont contribué à ce travail, qui a été réalisé par UC-Davis Shirley Meng, professeur de nano-ingénierie et Oleg Shpyrko professeur de physique.