Les batteries lithium-ion qui alimentent les ordinateurs portables, les voitures électriques et tant d'autres gadgets modernes fonctionnent sur un plan simple :les ions lithium font la navette entre deux électrodes, s'insérant dans l'une des électrodes lorsque la batterie se charge et se déplaçant vers l'autre lorsque la batterie se décharge. La vitesse et la facilité de leur déplacement à travers l'électrolyte liquide de la batterie aident à déterminer à quelle vitesse la batterie peut se charger.

Maintenant, les scientifiques ont examiné de près ce qui se passe à quelques nanomètres de l'électrode, où les molécules d'électrolyte se déplaçant normalement librement s'organisent en couches qui se trouvent directement dans les chemins des ions lithium.

Ils ont directement observé cette stratification pour la première fois lors d'expériences aux rayons X au laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie. Les résultats suggèrent que la modification de la concentration des ions lithium dans l'électrolyte pourrait modifier la disposition des couches moléculaires et faciliter l'entrée et la sortie des ions de l'électrode.

"Ce processus par lequel les ions pénètrent dans l'électrode est très important en termes de vitesse à laquelle vous pouvez charger la batterie et de durée de vie de la batterie, " a déclaré Michael Toney, un scientifique distingué du personnel de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC et co-responsable de l'étude. « Comprendre les détails à l'échelle nanométrique de son fonctionnement pourrait suggérer des moyens d'augmenter la vitesse et l'efficacité de la charge. »

Le rapport a été accepté pour publication dans Sciences de l'énergie et de l'environnement , et une copie préliminaire est publiée sur le site Web de la revue.

Sonder un électrolyte commercial

Dans les batteries lithium-ion, l'électrolyte est constitué de lithium et d'autres ions dans un solvant, avec les molécules de solvant se déplaçant comme elles le feraient dans n'importe quel autre liquide. Mais sur la base de la théorie et des simulations informatiques précédentes, les scientifiques soupçonnaient fortement que quelque chose de différent s'était produit dans le petit volume d'électrolyte situé juste à côté de l'électrode. Ici, ils pensaient, la présence de la surface dure de l'électrode induirait les molécules de solvant à s'aligner et à former des couches ordonnées. Cependant, confirmer cela par des expériences s'est avéré difficile.

Pour ces dernières expériences, L'équipe de Toney a utilisé un matériau d'oxyde métallique pour représenter l'électrode, baigné dans un électrolyte que l'on trouve généralement dans les batteries lithium-ion commerciales.

En concentrant un faisceau de rayons X à haute brillance de SSRL sur la surface de l'électrode et en analysant les rayons X qui ont rebondi à travers l'électrolyte, comme la lumière réfléchie par un miroir, les chercheurs ont pu déterminer les structures et les positions des molécules de solvant individuelles et des ions lithium qui se trouvaient à quelques milliardièmes de mètre de la surface de l'électrode, dit Hans-Georg Steinrück, chercheur postdoctoral dans le groupe de Toney et co-responsable des expériences. Les simulations de dynamique moléculaire ont complété et concordé avec les résultats expérimentaux.

"Nous pouvons voir les positions des ions et des molécules de solvant près de l'électrode avec une résolution en angström, et voir aussi comment ils sont orientés à la surface de l'électrode, " a déclaré Steinrück. " Ils sont disposés en couches bien définies à la frontière, et la première couche est à plat, parallèle à la surface de l'électrode; puis ils deviennent plus désordonnés, plus typique d'un liquide, lorsque vous vous éloignez de la surface. » Ces couches ordonnées rendent plus difficile le déplacement rapide des ions lithium à travers les couches et dans l'électrode.

Rangs changeants de molécules

Cependant, à mesure que la concentration d'ions lithium dans l'électrolyte augmente, l'arrangement des couches a changé; c'est devenu un peu plus ordonné, et les couches étaient plus éloignées, dit Steinrück. Cela a conduit les chercheurs à une conclusion qui semble presque à l'opposé de ce à quoi vous vous attendriez.

"Notre hypothèse est que si vous voulez améliorer le transport des ions lithium, vous voulez diminuer la quantité d'ordre dans les couches, et cela signifie diminuer la concentration en ions lithium plutôt que de l'augmenter, " il a dit.

Steinrück a déclaré que l'équipe explorera plus avant cette voie de recherche, ajoutant que les connaissances fondamentales obtenues avec cette technique peuvent également être appliquées aux études d'autres types de batteries et de systèmes de stockage d'énergie de nouvelle génération.