Lorsque vous chargez une batterie, ou lorsque vous l'utilisez, ce n'est pas seulement de l'électricité mais aussi de la matière qui se déplace à l'intérieur. Ions, qui sont des atomes ou des molécules qui ont une charge électrique, voyager d'une électrode de la batterie à l'autre, faire rétrécir et gonfler les électrodes. En réalité, C'est un mystère de longue date pourquoi les matériaux d'électrodes assez fragiles ne se fissurent pas sous la contrainte de ces cycles d'expansion et de contraction.

La réponse a peut-être enfin été trouvée. Une équipe de chercheurs du MIT, l'Université du Danemark du Sud, Université du riz, et Argonne National Laboratory a déterminé que le secret réside dans la structure moléculaire des électrodes. Alors que les matériaux des électrodes sont normalement cristallins, avec tous leurs atomes soigneusement arrangés dans un régulier, tableau répétitif, lorsqu'ils subissent le processus de charge ou de décharge, ils se transforment en un désordre, phase vitreuse qui peut s'adapter à la contrainte des changements dimensionnels.

Les nouvelles découvertes, ce qui pourrait affecter la conception future de la batterie et même conduire à de nouveaux types d'actionneurs, sont rapportés dans le journal Lettres nano , dans un article du professeur de science et d'ingénierie des matériaux du MIT, Yet-Ming Chiang, les étudiants diplômés Kai Xiang et Wenting Xing, et huit autres.

En théorie, si vous deviez étendre une batterie lithium-ion sur un point d'appui, avec une électrode de chaque côté, Tchang dit, "il montait et descendait comme une balançoire" pendant qu'il était chargé et déchargé. Le changement de masse lors de la navette des ions s'accompagne également d'une expansion ou d'une contraction qui peut varier, selon la matière, "à partir de 1 % environ, jusqu'au silicium, qui peut augmenter de 300 pour cent, " il dit.

Cette recherche portait sur un autre type de batterie, appelée batterie sodium-ion. Les scientifiques ont examiné une classe particulière de matériaux considérés comme des cathodes de batterie potentielles (électrodes positives), appelées phospho-olivines, et plus précisément au sodium-fer-phosphate (NaFePO 4 ). Ils ont découvert qu'il est possible d'affiner les changements de volume sur une très large plage, en modifiant non seulement la dilatation et la contraction du matériau, mais aussi la dynamique de la façon dont il le fait. Pour certaines compositions, l'expansion est très lente et progressive, mais pour d'autres, il peut augmenter soudainement.

"Au sein de cette famille d'olivines, " Tchang dit, "nous pouvons avoir ce lent, changement progressif, " couvrant toute la gamme de la charge presque nulle à la puissance très élevée. Alternativement, le changement peut être "quelque chose de très drastique, " comme c'est le cas avec NaFePO 4 , qui change rapidement son volume d'environ 17 pour cent.

« Nous savons que des composés fragiles comme celui-ci se fractureraient normalement avec moins de 1 % de changement de volume, ", dit Chiang. "Alors, comment ce matériau s'adapte-t-il à des changements de volume aussi importants? Ce que nous avons trouvé, en un sens, c'est que le cristal cède et forme un verre désordonné" au lieu de maintenir son réseau précisément ordonné.

"C'est un mécanisme qui, selon nous, pourrait s'appliquer plus largement à d'autres composés de ce type, " il dit, ajoutant que la découverte peut représenter "une nouvelle façon de créer des matériaux vitreux qui peuvent être utiles pour les batteries". Une fois le passage à une composition vitreuse effectué, ses changements de volume deviennent graduels plutôt que soudains, et par conséquent « elle peut durer plus longtemps, " dit Tchang.

Les résultats pourraient fournir un nouvel outil de conception pour ceux qui tentent de développer des batteries de plus grande capacité, il dit. Cela pourrait également conduire à des applications possibles dans lesquelles les changements de volume pourraient être utilisés, par exemple comme actionneurs robotiques ou comme pompes pour délivrer des médicaments à partir de dispositifs implantables.

L'équipe prévoit de continuer à travailler sur des moyens plus faciles de synthétiser ces composés d'olivine, et déterminer s'il existe une famille plus large de matériaux cristallins qui partagent cette propriété de changement de phase.

Cette recherche apporte « une contribution fondamentale qui relie l'électrochimie, mécanique, et les aspects cristallographiques des électrodes de batterie, " dit William Chueh, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à ce travail.

"Les matériaux d'électrode utilisés dans les batteries lithium-ion rétrécissent et se dilatent pendant la charge et la décharge, et souvent de manière disproportionnée dans une seule particule. Si la contrainte ne peut pas être prise en charge, les fractures des particules, provoquant éventuellement la défaillance de la batterie. Ceci est similaire à la fissuration d'une tasse en céramique froide lorsque de l'eau bouillante est versée trop rapidement, " dit Chueh. Ce travail "identifie un nouveau mécanisme de soulagement des contraintes lorsque le changement de volume est important, ce qui implique que le matériau passe d'un solide cristallin à un solide amorphe plutôt que de se fracturer."

Cette découverte, il dit, "pourrait amener les scientifiques à revoir les matériaux de batterie précédemment jugés inutilisables en raison du grand changement de volume pendant la charge et la décharge. Cela conduirait également à de meilleurs modèles prédictifs utilisés par les ingénieurs pour concevoir des batteries de nouvelle génération."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.