Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont capturé les premières images à l'échelle nanométrique en temps réel de structures de dendrites au lithium connues pour dégrader les batteries lithium-ion. La microscopie électronique de l'équipe ORNL pourrait aider les chercheurs à résoudre des problèmes de longue date liés aux performances et à la sécurité des batteries.

Les dendrites se forment lorsque le lithium métallique prend racine sur l'anode d'une batterie et commence à croître au hasard. Si les dendrites deviennent trop grosses, ils peuvent percer le diviseur entre les électrodes et court-circuiter la cellule, entraînant une défaillance catastrophique de la batterie.

Les chercheurs ont étudié la formation de dendrites en utilisant une cellule électrochimique miniature qui imite les conditions liquides à l'intérieur d'une batterie lithium-ion. Le placement de la cellule liquide dans un microscope électronique à transmission à balayage et l'application d'une tension à la cellule ont permis aux chercheurs d'observer les dépôts de lithium, qui commencent sous la forme d'une graine de taille nanométrique, se transformer en structures dendritiques.

"Cela nous donne une vue nanoscopique de la façon dont les dendrites nucléent et se développent, " a déclaré Raymond Unocic de l'ORNL, chef d'équipe de microscopie in situ. "Nous pouvons visualiser l'ensemble du processus sur une microélectrode de carbone vitreuse et observer où les dendrites préfèrent se nucléer et également suivre les changements morphologiques au cours de la croissance." Regardez une vidéo de la croissance des dendrites ci-dessous.

En plus d'imager les structures à haute résolution, la technique de microscopie de l'équipe a permis de recueillir des mesures précises des performances électrochimiques de la cellule. "Cette technique nous permet de suivre les changements structurels et chimiques subtils de taille nanométrique qui se produisent et, plus important encore, corréler cela aux performances mesurées d'une batterie, " dit Robert Sacci, Chercheur postdoctoral ORNL et auteur principal de l'étude Nano Letters.

Cette analyse en temps réel en milieu liquide distingue l'approche de l'équipe ORNL des autres méthodes de caractérisation.

« Habituellement, lorsque vous faites fonctionner une batterie sur de nombreux cycles de charge-décharge, vous attendez généralement que les choses commencent à échouer et à ce stade, vous effectuez une analyse de l'échec des causes profondes, " dit Unocic. " Alors vous voyez qu'il y a une dendrite, mais alors quoi ? Maintenant que nous pouvons voir exactement comment les dendrites se forment en utilisant notre technique, nous pouvons être proactifs et concevoir des stratégies pour inhiber ou réduire ces phénomènes."

L'équipe ORNL pense que les scientifiques qui expérimentent différentes manières de s'attaquer au problème des dendrites, tels que des additifs liquides ou des séparateurs plus puissants, bénéficieront de ses recherches.

« Si vous ne comprenez pas le mécanisme de base expliquant pourquoi les choses se produisent dans vos appareils, tu penseras toujours, « Pourquoi cela s'est-il produit et comment puis-je y remédier ? » a déclaré Unocic. les problèmes qui se posent."