Dans une batterie au lithium prometteuse, la formation d'une matrice d'argent hautement conductrice transforme un matériau autrement en proie à une faible conductivité. Pour optimiser ces batteries multimétalliques et améliorer le flux d'électricité, les scientifiques avaient besoin d'un moyen de voir où, lorsque, et comment ces argent, Des "ponts" nanométriques émergent.

Maintenant, Des chercheurs du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie et de l'Université Stony Brook ont ​​utilisé des rayons X pour cartographier cette architecture atomique changeante et ont révélé son lien avec le taux de décharge de la batterie. L'étude publiée en ligne le 8 janvier 2015, dans la revue Science —montre qu'un taux de décharge lent au début de la vie de la batterie crée un réseau conducteur plus uniforme et plus étendu, suggérer de nouvelles approches de conception et des techniques d'optimisation.

« Armé de cette connaissance des processus de décharge de la cathode de la batterie, nous pouvons cibler de nouveaux matériaux conçus pour résoudre les problèmes de batterie critiques associés à la puissance et à l'efficacité, " a déclaré la co-auteur de l'étude Esther Takeuchi, un professeur distingué SUNY à l'Université Stony Brook et scientifique en chef à la Direction des sciences de l'énergie de base du Brookhaven Lab.

Les scientifiques ont utilisé des faisceaux de rayons X brillants à Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source (NSLS) - une installation utilisateur du DOE Office of Science - pour sonder les batteries au lithium avec du diphosphate d'argent et de vanadium (Ag 2 Vice-président 2 O 8 ) électrodes. Ce matériau cathodique prometteur, qui peuvent être utiles dans les dispositifs médicaux implantables, présente la grande stabilité, haute tension, et la formation spontanée de matrices au cœur de la recherche.

« Le travail expérimental, en particulier la diffraction des rayons X in situ dans des batteries totalement encapsulées dans de l'acier inoxydable, devrait s'avérer utile pour l'industrie car il peut pénétrer dans les batteries prototypes et de niveau de production pour suivre leur évolution structurelle pendant le fonctionnement, " a déclaré Takeuchi.

Dans la matrice

Au fur et à mesure que ces batteries à usage unique, synthétisées et assemblées par David Bock, étudiant diplômé de Stony Brook, se déchargent, les ions lithium stockés dans l'anode se dirigent vers la cathode, déplaçant les ions d'argent en cours de route. L'argent déplacé se combine ensuite avec les électrons libres et le matériau cathodique inutilisé pour former la matrice métallique d'argent conductrice, agissant comme un conduit pour le flux d'électrons autrement entravé.

"Pour visualiser les processus cathodiques au sein de la batterie et regarder le réseau d'argent prendre forme, nous avions besoin d'un système très précis avec des rayons X de haute intensité capables de pénétrer un boîtier de batterie en acier, ", a déclaré Amy Marschilok, co-auteur de l'étude et professeure agrégée de recherche à l'Université Stony Brook. "Nous nous sommes donc tournés vers NSLS."

La diffraction des rayons X à dispersion d'énergie (EDXRD) au NSLS a fourni ces données de visualisation in situ en temps réel. Dans EDXRD, des faisceaux intenses de rayons X traversent l'échantillon, perdre de l'énergie lorsque la structure de la batterie a plié les poutres. Chaque ensemble d'angles de faisceau détectés, comme les images en accéléré, a révélé la chimie changeante en fonction de la décharge de la batterie.

"L'argent se forme en particules de moins de 10 nanomètres, et les motifs de diffraction peuvent être à la fois denses et faibles, " a déclaré le scientifique du Brookhaven Lab, Zhong Zhong, qui a effectué l'alignement critique pour les expériences de rayons X au NSLS.

Une fois les données collectées, Le chercheur postdoctoral et coauteur de l'étude de Brookhaven Lab, Kevin Kirshenbaum, a dirigé l'effort d'analyse des données.

« Ce genre d'analyse et d'interprétation demande un temps et une expertise considérables, mais les résultats peuvent être bluffants, " dit Kirshenbaum.

Surprises écrites en argent

Dans la plupart des batteries, la vitesse de diffusion du lithium-ion détermine le taux de décharge, un facteur clé de la performance et de l'efficacité globales. Le matériau le plus proche de l'anode de lithium se déchargerait normalement en premier, car les ions ont une distance plus courte à parcourir. Dans une découverte surprenante, les chercheurs ont découvert que le matériau le plus éloigné de l'anode et le plus proche de la surface de la pile bouton se déchargeait en premier dans la batterie.

"C'est parce que le matériau cathodique non déchargé est un très mauvais conducteur électrique, la résistance à la diffusion des ions lithium est donc inférieure à celle du flux d'électrons, " a déclaré le coauteur et professeur distingué de SUNY, Kenneth Takeuchi. " Cela met en évidence un aspect particulièrement efficace de la formation de matrice d'argent in situ :la matrice d'argent se forme principalement là où c'est nécessaire, ce qui est plus efficace que l'utilisation d'additifs conducteurs."

Les données de diffraction in situ ont été combinées avec deux techniques appliquées après l'opération :la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) et la diffraction des rayons X à résolution angulaire (XRD).

La spectroscopie peut révéler une chimie exacte car chaque élément absorbe et émet de la lumière de manière unique, mais les rayons X utilisés pour XAS ne peuvent pas pénétrer dans le boîtier de la batterie. Donc après chaque étape de la décharge, les chercheurs ont retiré la cathode et l'ont broyée en une poudre pour mesurer la composition élémentaire moyenne. Chia-Ying Lee de l'Université de Buffalo a préparé les matériaux de cathode réduits pour les mesures ex situ initiales.

« Ces techniques apportent des données complémentaires :la diffraction in situ montre où se forme l'argent à l'intérieur de la cathode, tandis que la spectroscopie montre plus précisément combien d'argent s'est formé, ", a déclaré Esther Takeuchi.

Des lumières plus vives et de meilleures batteries

NSLS a terminé sa période expérimentale de 32 ans en septembre 2014, mais son puissant successeur prend déjà des données au Brookhaven Lab. La National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) fournit des faisceaux 10, 000 fois plus lumineux que NSLS, et la recherche énergétique in situ est une partie importante de sa mission. NSLS-II, également une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science, accueillera bientôt les utilisateurs de l'industrie, universitaire, et d'autres laboratoires nationaux.

"Nous travaillons actuellement sur d'autres matériaux qui forment des réseaux conducteurs et espérons les étudier en tant que cellules fonctionnelles, " a déclaré Takeuchi. " Les faisceaux plus brillants et la plus grande résolution spatiale du NSLS-II seront un excellent outil pour étudier d'autres cathodes et faire avancer cette technologie. "