Pour le système de batterie lithium-oxygène, il est bien connu que la réaction de chargement et de déchargement produit des formes particulières de produits de réaction qui ressemblent à des beignets et des ballons. Encore, comment ces formes se forment est restée un mystère. Une nouvelle étude d'une batterie nano-lithium-oxygène fonctionnant à l'échelle atomique dans une atmosphère d'oxygène fournit des indices pour résoudre ce mystère.

La découverte de la voie de réaction lithium-oxygène jette les bases d'une modélisation quantitative des processus électrochimiques dans le système lithium-oxygène, fournissant un aperçu de la meilleure façon de concevoir des batteries lithium-oxygène avec une capacité élevée et une durée de vie plus longue.

Le système de batterie lithium-oxygène a été perçu comme une technologie habilitante pour l'industrie électromotrice. Cependant, les progrès de la recherche et du développement d'une batterie lithium-oxygène ont été gravement entravés par deux questions sans réponse. D'abord, quelle est la voie de réaction électrochimique lors de la décharge et de la charge de la batterie ? Seconde, quelle est la relation entre les formes compliquées du produit de réaction et le chemin de réaction ? Les réponses à ces deux questions sont fondamentales, pourtant essentiel pour le développement des batteries lithium-oxygène.

Pour combler ce manque de connaissances, une équipe de chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory; Université polytechnique de Tianjin de Chine; et EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, utilisé des techniques avancées d'imagerie in-situ - le microscope électronique à transmission environnementale - à l'EMSL, une installation utilisateur du Department of Energy Office of Science, d'observer une batterie nano-lithium-oxygène pendant la charge et la décharge. Ils ont découvert que l'oxygène réagit avec le lithium sur les nanotubes de carbone pour former un oxyde de lithium métastable.

Cet oxyde se transforme en un oxyde de lithium plus stable et libère de l'oxygène gazeux qui dilate (gonfle) les particules en une structure creuse, produire des formes de beignets et de ballons. Cette observation démontre plus généralement que la façon dont l'oxygène libéré est logé régit la formation de la morphologie compliquée du produit de réaction dans une batterie lithium-oxygène. Les résultats de ce travail répondent non seulement aux deux questions évoquées ci-dessus, mais aussi donner un aperçu du transport des ions et des électrons couplé au débit massique pour la batterie lithium-oxygène.