Les véhicules électriques rechargeables sont l'un des meilleurs outils contre l'augmentation de la pollution et des émissions de carbone, et leur adoption généralisée dépend des performances de la batterie. Les scientifiques spécialisés dans les nanotechnologies continuent de rechercher la recette moléculaire parfaite pour une batterie qui fait baisser les prix, augmente la durabilité, et offre plus de miles sur chaque charge.

Une famille particulière de batteries lithium-ion composées de nickel, cobalt, et l'aluminium (NCA) offre une densité d'énergie suffisamment élevée - une mesure de l'électricité stockée dans la batterie - pour qu'elle fonctionne bien dans les véhicules à grande échelle et à longue autonomie, y compris les voitures électriques et les avions commerciaux. Il y a, cependant, un hic non négligeable :ces batteries se dégradent à chaque cycle de charge et de décharge.

Au fur et à mesure du cycle de la batterie, les ions lithium font la navette entre la cathode et l'anode et laissent derrière eux des traces détectables de dommages à l'échelle nanométrique. Surtout, la chaleur élevée des environnements des véhicules peut intensifier ces traces de dégradation révélatrices et même provoquer une panne complète de la batterie.

"La relation entre les changements structurels et l'emballement thermique catastrophique a un impact à la fois sur la sécurité et les performances, " a déclaré le physicien Xiao-Qing Yang du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie. " La compréhension approfondie de cette relation nous aidera à développer de nouveaux matériaux et à faire progresser ce matériau NCA pour empêcher cette dégradation dangereuse. "

Pour obtenir un portrait holistique des réactions électrochimiques de la batterie NCA, des chercheurs du département de chimie du Brookhaven Lab et du Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) ont terminé une série de trois études, chacun approfondissant les changements moléculaires. Le travail a porté sur l'exploration par rayons X des morphologies moyennes des matériaux jusqu'aux surprenantes asymétries à l'échelle atomique révélées par la microscopie électronique.

"Après chaque cycle de charge/décharge - ou même des étapes incrémentielles dans les deux sens - nous avons vu la structure atomique passer de couches cristallines uniformes à une configuration désordonnée de sel gemme, " a déclaré Eric Stach, scientifique du Brookhaven Lab, qui dirige le groupe de microscopie électronique du CFN. « Au cours de cette transformation, l'oxygène quitte le composé de batterie déstabilisé. Cet excès d'oxygène, lessivés à des taux de plus en plus rapides au fil du temps, contribue en fait au risque de défaillance et agit comme combustible pour un incendie potentiel."

Ces connaissances nouvelles et fondamentales peuvent aider les ingénieurs à développer des chimies de batterie supérieures ou des architectures à l'échelle nanométrique qui bloquent cette dégradation.

Étude 1 : instantanés aux rayons X de la décomposition due à la chaleur

La première étude, Publié dans Chimie des Matériaux , a exploré la batterie NCA en utilisant des techniques combinées de diffraction des rayons X et de spectroscopie où des faisceaux de photons haute fréquence bombardent et rebondissent sur un matériau pour révéler la structure et la composition élémentaires. Ces études aux rayons X ont été menées à la source de lumière synchrotron nationale (NSLS) de Brookhaven.

"Nous avons pu tester le cyclage de la batterie in situ, ce qui signifie que nous pourrions observer les effets de l'augmentation de la chaleur en temps réel, ", a déclaré Seong Min Bak, chimiste du Brookhaven Lab et co-auteur de l'étude. "Nous avons poussé la pile bouton NCA complètement chargée hors de l'équilibre thermique en la chauffant jusqu'à 500 degrés Celsius."

Au fur et à mesure que la température montait, les rayons X ont frappé l'échantillon et ont révélé la transition généralisée d'une structure cristalline à une autre. L'équipe a également mesuré la quantité d'oxygène et de dioxyde de carbone libérée par l'échantillon de NCA, un indicateur clé de l'inflammabilité potentielle.

"La libération d'oxygène a culminé entre 300 et 400 degrés Celsius lors de nos essais, qui est au-dessus de la température de fonctionnement pour la plupart des véhicules, " Bak said. "But that temperature threshold dropped for a highly charged battery, suggesting that operating at full energy capacity accelerates structural degradation and vulnerability."

While they further confirmed the results with x-ray absorption spectroscopy and electron microscopy after the heating trials, the team needed to map the changes at higher resolutions.

Study 2:Charge-induced transformations

The next study, also published in Chimie des Matériaux , used transmission electron microscopy (TEM) to pinpoint the effect of an initial charge on the battery's surface structure. The highly focused electron beams available at CFN revealed individual atom positions as an applied current pushed pristine batteries to an overcharged state.

"The surface changes matched the rock-salt evolution found in the x-ray study, " said study coauthor Sooyeon Hwang of the Korea Institute of Science and Technology (KIST). "Even with just one charge on the NCA battery we saw changes in the crystalline structure, and it grew much worse as the charge level increased."

To capture the atoms' electronic structures, the scientists used electron energy loss spectroscopy (EELS). Dans cette technique, measurements of the energy lost by a well-defined electron beam reveal local charge densities and elemental configurations.

"We found a decrease in nickel and an increase in the electron density of oxygen, " Hwang said. "This causes a charge imbalance that forces oxygen to break away and leave holes in the NCA surface, permanently damaging the battery's capacity and performance."

While this combined crystallographic and electronic data confirmed and clarified the earlier work, temperature effects still needed to be explored with atomic precision.

Study 3:Thermal decay and real-time electron microscopy

The final study, Publié dans Matériaux appliqués et interfaces , used in situ electron microscopy to track the heat-driven decomposition of NCA materials at different states of charge. The atomic-scale structural investigation under variable temperatures and charge levels offered the most comprehensive portrait yet.

The collaboration found that even though pristine and uncharged NCA samples remained stable up to 400 degrees Celsius, charging introduced the usual decomposition and vulnerabilities. The full story, cependant, was much more nuanced.

"We saw the same overall degradation patterns, but the real-time TEM revealed an unexpected twist within individual particles, " Stach said. "When fully charged, some particles released oxygen and began to shift toward disorder down at temperatures below 100 degrees Celsius—definitely plausible for a lithium-ion battery's normal operation."

Added Hwang, "Those unstable, degraded particles may trigger the chain reaction of so-called thermal runaway at lower temperatures than expected, and that free oxygen would feed the fire springing from an overheated battery."

The future of batteries

The corroborating data in the three studies points to flaws in the chemistry and architecture of NCA batteries—including the surprising atomic asymmetries—and suggests new ways to enhance durability, including the use of nanoscale coatings that reinforce stable structures.

"We plan to push these investigative techniques even further to track the battery's structure in real-time as it charges and discharges under real operating conditions—we call this in operando, " Stach said. "Brookhaven's National Synchrotron Light Source II will be a game-changer for this kind of experimentation, and I'm eager to take advantage of that facility's ultra-bright x-rays to track internal and surface evolutions in these materials."