Une éruption de lithium à la pointe de l'électrode d'une batterie, fissures dans le corps de l'électrode, et une couche se formant à la surface de l'électrode révèle comment recharger une batterie plusieurs fois conduit à sa disparition.

En utilisant un microscope puissant pour observer plusieurs cycles de charge et de décharge dans des conditions de batterie réelles, les chercheurs ont mieux compris la chimie qui obstrue les batteries au lithium rechargeables. L'oeuvre, paru dans le numéro de mars de la revue Lettres nano , aidera les chercheurs à concevoir des batteries rechargeables moins chères et plus puissantes avec des métaux plus courants et plus sûrs que le lithium.

"Ce travail est la première preuve visuelle de ce qui conduit à la formation de dendrites de lithium, les nanoparticules et les fibres que l'on trouve couramment dans les batteries au lithium rechargeables qui s'accumulent avec le temps et entraînent une défaillance de la batterie, " a déclaré le scientifique principal Nigel Browning, un physicien au Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie.

Détresse dendrite

Comme toute personne ayant un téléphone portable mourant le sait, ce serait bien si les piles rechargeables avaient plus de puissance, duraient plus longtemps et étaient moins chers. Résoudre ces problèmes pourrait également rendre les véhicules électriques et les énergies renouvelables plus attractifs. L'utilisation de métaux tels que le magnésium ou l'aluminium à la place du lithium pourrait améliorer la durée de vie et le coût des batteries, mais la recherche et le développement des batteries rechargeables sans lithium sont loin derrière les batteries lithium-ion commerciales courantes.

Accélérer le développement des batteries rechargeables, Le DOE a financé le Joint Center for Energy Storage Research, une collaboration de plusieurs laboratoires nationaux, universités et entreprises du secteur privé. Des équipes multidisciplinaires de scientifiques explorent une variété de problèmes, en espérant les surmonter en comprenant les principes chimiques sous-jacents.

Par exemple, les batteries rechargeables souffrent de la croissance des dendrites, microscopique, fibres en forme de broche qui affligent les électrodes de la batterie. Récemment, Les chercheurs du JCESR dirigés par le PNNL ont découvert un moyen d'éliminer les dendrites dans les batteries au lithium en utilisant un électrolyte spécial. Pour mieux comprendre comment les dendrites se forment et peuvent être évitées au niveau microscopique, une autre équipe du JCESR dirigée par Nigel Browning du PNNL a conçu un microscope qui pourrait examiner une batterie de travail complète en action.

Contrairement à d'autres vues du fonctionnement interne des batteries à fort grossissement, dont la plupart n'utilisent qu'une partie d'une batterie ou doivent les étudier sous des pressions non typiquement utilisées dans les batteries, l'équipe Browning a créé une cellule de batterie entièrement fonctionnelle dans des conditions de fonctionnement normales.

"C'est un travail très excitant, " a déclaré la première auteure Layla Mehdi. " Nous avons construit une véritable batterie de travail à l'intérieur du microscope électronique à transmission. L'avantage est que l'on peut observer directement toutes les réactions chimiques à l'interface électrolyte-électrode en temps réel, comme ils se produisent pendant le cycle de la batterie."

Ch-ch-ch-charge microscopique

Pour faire ça, l'équipe a dû adapter les microscopes électroniques à transmission à leurs besoins. En particulier, ils ont dû surmonter les dommages causés par le faisceau à haute énergie du microscope :les microscopes électroniques utilisent des faisceaux d'électrons pour visualiser ce qui se trouve dans le champ de vision comme un microscope ordinaire utilise la lumière. L'équipe a déterminé la façon optimale de faire briller le faisceau avant de subir des dommages. Cela a permis aux chercheurs de charger et de décharger la petite batterie à plusieurs reprises et d'être assurés que les changements qu'ils ont vus sous le télescope étaient dus au fonctionnement de la batterie et non au faisceau lui-même.

Leur batterie expérimentale arborait une électrode de platine et un électrolyte liquide de batterie couramment utilisé appelé hexafluorophosphate de lithium dans du carbonate de propylène. Le travail des ions lithium chargés positivement de l'électrolyte est de se rassembler au niveau de l'électrode de platine lorsque la batterie est en charge, où ils conservent l'électricité jusqu'à ce que la batterie soit utilisée.

Et les ions lithium ont fait leur travail. Lorsque l'équipe a pompé des électrons dans la batterie, les ions lithium floqués sur l'électrode, qui semblait pousser des touffes de poils comme un animal de compagnie Chia des années 1970.

La décharge de la batterie a dégonflé les touffes, mais pas complètement. Une analyse plus approfondie a révélé que les touffes restantes ne pouvaient être que du lithium métallique en raison de leur faible densité par rapport aux produits de dégradation d'électrolyte couramment rapportés. La perte d'ions lithium libres au profit de ces amas de "lithium mort" réduit les performances de la batterie.

En outre, décharger les fissures laissées sur l'électrode. Plus de cycles de charge et de décharge ont provoqué la croissance de plus de fissures et l'accumulation de lithium mort, certains à l'intérieur de l'électrolyte et d'autres à la surface de l'électrode.

Surtout, les chercheurs ont pu mesurer la croissance d'une couche bien connue à la surface de l'électrode qui interfère avec les performances. Appelé le SEI pour l'interphase solide-électrolyte, cette couche se forme en raison des interactions entre le lithium et l'électrolyte. Finalement, le SEI empêche la batterie de se charger. L'imagerie microscopique a révélé à quelle vitesse la couche s'est formée et où.

Bien que ces expériences leur aient appris le comportement du lithium, Browning a déclaré qu'il était plus enthousiaste à l'idée d'appliquer la technologie pour étudier d'autres anodes métalliques, métaux comme le magnésium, cuivre et d'autres qui pourraient conduire à une nouvelle génération de systèmes de batterie.

"Une fois que vous pouvez imaginer cela, " il a dit, « Pourquoi faire cycler une batterie pendant des jours et des jours et des jours quand vous savez à quelle vitesse la batterie se dégrade ? Maintenant, nous pouvons réduire le cycle et passer aux tests des caractéristiques individuelles des nouvelles chimies de batterie. »