De meilleures batteries qui se chargent rapidement et durent longtemps sont un anneau en laiton pour les ingénieurs. Mais malgré des décennies de recherche et d'innovation, une compréhension fondamentale du fonctionnement exact des batteries à la plus petite des échelles est restée insaisissable.

Dans un article publié cette semaine dans la revue Science , une équipe dirigée par William Chueh, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et chercheur universitaire au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, a conçu un moyen de scruter comme jamais auparavant la réaction électrochimique qui alimente la pile rechargeable la plus couramment utilisée aujourd'hui :la batterie lithium-ion.

En visualisant les éléments constitutifs fondamentaux des batteries - de petites particules mesurant généralement moins d'un centième de cheveu humain - les membres de l'équipe ont mis en lumière un processus bien plus complexe qu'on ne le pensait. La méthode qu'ils ont développée pour observer la batterie en temps réel et leur meilleure compréhension de l'électrochimie pourraient avoir des implications de grande envergure pour la conception de la batterie, gestion et au-delà.

« Cela nous donne des informations fondamentales sur le fonctionnement des batteries, " a déclaré Jongwoo Lim, co-auteur principal de l'article et chercheur post-doctoral au Stanford Institute for Materials &Energy Sciences au SLAC. "Précédemment, la plupart des études ont examiné le comportement moyen de l'ensemble de la batterie. Maintenant, nous pouvons voir et comprendre comment les particules de batterie individuelles se chargent et se déchargent."

Le coeur d'une batterie

Au cœur de chaque batterie lithium-ion se trouve une simple réaction chimique dans laquelle des ions lithium chargés positivement se nichent dans la structure en forme de réseau d'une électrode en cristal pendant que la batterie se décharge, recevoir des électrons chargés négativement dans le processus. En inversant la réaction en enlevant des électrons, les ions sont libérés et la batterie est chargée.

Ces processus de base - appelés lithiation (décharge) et délithiation (charge) - sont entravés par un talon d'Achille électrochimique. Les ions s'insèrent rarement uniformément sur la surface des particules. Au lieu, certaines zones prennent plus d'ions, et d'autres moins. Ces incohérences conduisent finalement à des contraintes mécaniques car les zones du réseau cristallin se surchargent d'ions et développent de minuscules fractures, sape les performances de la batterie et raccourcit sa durée de vie.

« La lithiation et la délithiation doivent être homogènes et uniformes, " dit Yiyang Li, un doctorant dans le laboratoire de Chueh et co-auteur principal de l'article. "En réalité, cependant, ils sont très non uniformes. Dans notre meilleure compréhension du processus, cet article trace la voie vers la suppression du phénomène."

Pour les chercheurs souhaitant améliorer les batteries, comme Chueh et son équipe, contrecarrer ces forces néfastes pourrait conduire à des batteries qui se chargent plus rapidement et plus complètement, durent beaucoup plus longtemps que les modèles d'aujourd'hui.

Cette étude visualise la réaction de charge/décharge en temps réel - ce que les scientifiques appellent operando - avec des détails et une échelle fins. L'équipe a utilisé des rayons X brillants et des microscopes de pointe à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory.

« Le phénomène révélé par cette technique, Je pensais que je ne serais jamais visualisé de ma vie. C'est assez révolutionnaire dans le domaine de la batterie, " dit Martin Bazant, un professeur de génie chimique et de mathématiques au MIT qui a dirigé l'aspect théorique de l'étude.

Chueh et son équipe ont conçu une batterie transparente en utilisant les mêmes matériaux actifs que ceux trouvés dans les smartphones et les véhicules électriques. Il a été conçu et fabriqué en collaboration avec Hummingbird Scientific. Il se compose de deux très minces, "fenêtres" en nitrure de silicium transparent. L'électrode de batterie, constitué d'une seule couche de nanoparticules de phosphate de fer lithium, repose sur la membrane à l'intérieur de l'espace entre les deux fenêtres. Un fluide salé, connu sous le nom d'électrolyte, s'écoule dans l'espace pour livrer les ions lithium aux nanoparticules.

"C'était un très, très petite batterie, tenant dix milliards de fois moins de charge qu'une batterie de smartphone, " a déclaré Chueh. "Mais cela nous permet d'avoir une vision claire de ce qui se passe à l'échelle nanométrique."

Des avancées significatives

Dans leur étude, les chercheurs ont découvert que le processus de charge (délithiation) est nettement moins uniforme que la décharge (lithiation). Curieusement, les chercheurs ont également découvert qu'une charge plus rapide améliore l'uniformité, ce qui pourrait conduire à de nouvelles et meilleures conceptions de batteries et à des stratégies de gestion de l'alimentation.

"L'uniformité améliorée réduit les contraintes mécaniques dommageables sur les électrodes et améliore la cyclabilité de la batterie, " dit Chueh. " Au-delà des batteries, ce travail pourrait avoir un impact de grande envergure sur de nombreux autres matériaux électrochimiques. » Il a souligné les catalyseurs, dispositifs de mémoire, et le verre dit intelligent, qui passe de translucide à transparent lorsqu'il est chargé électriquement.

En plus des connaissances scientifiques acquises, l'autre avancée significative de l'étude est la technique de microscopie à rayons X elle-même, qui a été développé en collaboration avec les scientifiques de Berkeley Lab Advanced Light Source Young-sang Yu, David Shapiro, et Tolek Tyliszczak. Le microscope, qui est logé à la source lumineuse avancée, pourrait affecter la recherche énergétique à tous les niveaux en révélant des dynamiques inédites à l'échelle nanométrique.

"Ce que nous avons appris ici, ce n'est pas seulement comment fabriquer une meilleure batterie, mais nous offre une nouvelle fenêtre profonde sur la science des réactions électrochimiques à l'échelle nanométrique, ", a déclaré Bazant.