Les batteries lithium-ion libèrent de l'électricité lorsque les réactions électrochimiques se propagent à travers les matériaux actifs. Manipuler ce processus complexe et conduire les réactions dans le cœur riche en énergie de chaque partie de ces matériaux actifs est crucial pour optimiser la puissance de sortie et la capacité énergétique ultime de ces batteries.

Maintenant, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et des instituts collaborateurs ont cartographié ces voies de réaction à l'échelle atomique et les ont liées au taux de décharge de la batterie.

Contrairement aux attentes, un taux de décharge lent permet aux "doigts" électrochimiques de pénétrer dans le matériau de l'électrode et de libérer son énergie stockée par un processus appelé lithiation. Lors des décharges à haut débit, cependant, ces doigts de lithiation pénètrent lentement couche par couche d'une manière beaucoup plus inefficace.

"Ce système modèle révèle l'interaction cruciale entre le taux de décharge et le modèle de lithiation, " dit Dong Su, qui a dirigé la recherche au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN). « Les motifs subtils que nous voyons peuvent nous aider à développer des architectures de batterie supérieures qui accélèrent la pénétration de la lithiation et améliorent les performances globales. »

Le travail a été effectué au Brookhaven Lab's CFN et à la National Synchrotron Light Source, et la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, toutes les installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE. L'étude, publié le 29 janvier 2015, dans la revue Lettres nano , comprend des collaborateurs de l'Université Cornell, École des mines du Colorado, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Université Stony Brook, et le Massachusetts Institute of Technology.

"L'utilisation initiale de ces matériaux d'électrode en oxyde de nickel pour stocker et décharger de l'énergie aide en fait à déterminer les performances futures du matériau, " dit Kai He, le premier auteur et un post-doctorant travaillant au CFN. "Le processus de décharge commence près de la surface, puis se déplace à l'intérieur grâce aux « doigts » pour libérer la pleine capacité du matériau. Ce qui est bien, c'est que nous avons pu voir cette transition se produire pour la première fois."

Doigts "rampants"

L'étude a montré que plusieurs voies de réaction différentes peuvent se produire dans ces matériaux. Bien que les réactions de surface se déplacent rapidement, ils ne pénètrent pas profondément dans le matériau, cette voie de réaction ne peut donc contribuer que dans une faible mesure à la capacité énergétique globale et à la production de la batterie.

"Heures supplémentaires, la réaction près de la surface se propage uniformément de la surface externe de chaque nanoparticule vers l'intérieur dans toutes les directions - c'est ce que nous appelons le mode de rétrécissement du noyau - mais elle peut être exceptionnellement lente, " Il a dit. " Cette capacité intérieure reste pratiquement intacte jusqu'à ce que les doigts de lithiation se forment. "

Ces doigts de nucléation se propagent alors un peu comme des racines d'arbre rampant dans un sol riche en énergie, débloquer l'électricité au fur et à mesure.

« Nous nous attendions à ce que ce processus se produise beaucoup plus rapidement lors des décharges à haut débit, mais nous avons trouvé le contraire, " dit Su. " Des taux élevés se sont répandus sur la surface du matériau, mais ensuite devenir brusquement bloqué. À des taux de décharge lents, cependant, les doigts pénétrants se sont rapidement formés et ont ouvert la voie à une stabilité, utilisation à haute capacité."

Les doigts de lithiation - la clé pour déverrouiller la pleine capacité - nécessitent un temps d'incubation fixe pour se former et se développer, qui fixe une limite de temps pour l'efficacité, stockage d'énergie à grande vitesse dans les batteries lithium-ion.

Le coauteur de l'étude, Feng Lin, a déclaré :un scientifique des matériaux au Lawrence Berkeley National Laboratory, "Nous avons choisi de réaliser notre étude en utilisant des matériaux nanométriques d'oxyde de nickel de conception unique. Ces matériaux sont quelque peu bidimensionnels, et fournir des orientations cristallines claires pour l'observation expérimentale et la modélisation théorique. Nous nous attendons à ce que des phénomènes similaires soient applicables à d'autres matériaux d'électrodes connexes."

Sondes à rayons X et à électrons

La collaboration a combiné des données de microscopie électronique, spectroscopie aux rayons X, et la modélisation informatique.

"Nous avons utilisé des faisceaux d'électrons focalisés à une taille de 1 Angstrom (10-10 mètres) pour cartographier les chemins physiques de ces réactions, " a déclaré Eric Stach, qui est co-auteur de cet article et dirige le groupe de microscopie électronique du CFN. "En utilisant la microscopie électronique à transmission, nous avons fait des films en temps réel des motifs de lithiation. Cela nous a permis de visualiser directement comment ce processus se déroule à l'échelle nanométrique. Nous avons également caractérisé les échantillons lithium-ion après décharge pour cartographier davantage les changements structurels et chimiques avec la tomographie électronique tridimensionnelle. »

Ces données ont été corroborées par des études de spectroscopie à rayons X menées à la source lumineuse synchrotron nationale de Brookhaven et à la source lumineuse de rayonnement synchrotron Stanford du laboratoire SLAC.

Les études aux rayons X ont suivi quantitativement les changements chimiques dans les échantillons, révélant les taux de réactions de lithiation et l'évolution de la structure chimique. Des modèles informatiques ont ensuite permis d'interpréter ces données et d'expliquer le lien électrochimique entre la vitesse de décharge et la propagation de la réaction.

"L'éventail des talents, compétence, et les instruments de laboratoires à travers le pays nous permettent d'obtenir un portrait complet de l'ensemble de la réaction à toutes les échelles de longueur pertinentes, lier l'électrochimie et le mécanisme réactionnel aux nanostructures, " a-t-il dit.

Les chercheurs prévoient d'appliquer cette même méthodologie à plus de systèmes et d'étendre son utilisation comme guide pour de nouveaux, ingénierie de batterie haute performance.