Les batteries rechargeables au lithium (Li) sont les dispositifs de stockage d'énergie les plus largement utilisés dans l'électronique grand public et les véhicules électriques aujourd'hui. Il y a des défis, bien que, à optimiser leur capacité, recyclabilité, et stabilité. Pendant les cycles de charge-décharge d'une batterie Li, des dendrites de Li très localisées – des brins de Li qui se développent à l'intérieur des batteries – peuvent se former et nuire aux performances de la batterie.

"Les dendrites de lithium sont de fins brins, comme des moustaches, qui peuvent entrer en contact avec les matériaux cathodiques et provoquer une chaîne irréversible, réactions chimiques spontanées, " a déclaré Yingge Du, un chercheur du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) qui a récemment mené une étude pour visualiser ce phénomène. « Cela peut entraîner une dégradation des performances, court-circuit, et les dangers pour la sécurité, " il ajouta.

Du et son équipe ont cherché à identifier le mécanisme de défaillance exact. Faire cela, ils devaient contrôler avec précision comment et quand les dendrites de Li entraient en contact avec les matériaux cathodiques. L'équipe a utilisé la microscopie électronique à transmission (MET) in situ pour imager directement les évolutions structurelles et chimiques de l'oxyde de lithium cobalt (LiCoO 2 ) cathodes à couche mince sur contact dendrite Li. "LiCoO 2 est toujours l'un des matériaux cathodiques les plus largement utilisés, " dit Du, « et sa transformation en une forme monocristalline bien définie par dépôt laser pulsé peut libérer la puissance de la microscopie électronique avancée. » En utilisant cette approche, les chercheurs ont découvert une voie de propagation inattendue du Li et des étapes de réaction détaillées qui conduisent à la défaillance de la cathode.

Leur étude, "Visualisation directe de l'effet Li Dendrite sur LiCoO 2 Cathode par In Situ TEM, " a été récemment publié dans Petit et figurait sur sa couverture.

Pour répondre aux demandes croissantes de dispositifs de stockage d'énergie à grande échelle, il y a un besoin urgent pour les chercheurs de développer plus sûr, batteries rechargeables avec un rendement énergétique plus élevé. Le métal Li a été considéré comme un idéal, matériau d'anode haute capacité. Cependant, son utilisation est fortement entravée par la formation de dendrites de Li qui peuvent pénétrer dans le séparateur – une membrane perméable placée entre l'anode et la cathode d'une batterie. Une fois que les dendrites de Li sont en contact direct avec les matériaux cathodiques, une chaîne d'irréversible, des réactions chimiques spontanées peuvent se produire, entraînant une dégradation des performances, court-circuit, et les dangers pour la sécurité.

Alors que des efforts importants ont été consacrés à la détection, comprendre, et empêcher la formation de dendrites de Li au sein des électrolytes, on sait peu de choses sur les voies de réaction détaillées impliquant le métal Li et les matériaux cathodiques. Combler ce manque de connaissances peut fournir des principes de détection et de conception qui sont essentiels aux futures solutions de stockage d'énergie.

Dans cette étude, Du et son équipe de chercheurs du PNNL ont étudié les dendrites de Li et leur effet sur les matériaux cathodiques. Ils ont cherché à comprendre les voies de réaction détaillées, ce qui pourrait conduire au développement de meilleures batteries Li.

Par dépôt laser pulsé, Du et son équipe ont fabriqué des LiCoO épitaxié 2 des films minces avec des orientations cristallographiques contrôlées pour servir de matériaux cathodiques modèles. Une pointe en métal Li a été utilisée pour imiter la dendrite Li à l'intérieur d'un MET pour étudier sa réaction avec LiCoO préparé 2 échantillons.

Techniques avancées de microscopie et de spectroscopie - y compris la spectroscopie électronique à transmission à balayage, diffraction de nanofaisceau, et la spectroscopie de perte d'énergie électronique – a permis d'étudier de telles réactions avec une résolution spatiale et temporelle élevée. En combinaison avec les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, les chercheurs ont élucidé les étapes de la réaction, intermédiaires, et les produits finaux à un niveau sans précédent. Une direction de diffusion de Li inattendue perpendiculaire aux plans contenant du Li a été trouvée, qui a déchiré le LiCoO 2 cristal à part, générant une grande quantité de joints de grains et de joints d'antiphase. Alors que le métal Co et Li2O se sont avérés être les produits finaux de la réaction de conversion complète, CoO a été identifié comme un intermédiaire métastable au front de réaction en raison de la transition de phase facile de LiCoO 2 .

"Les étapes de réaction et les intermédiaires révélés fournissent un mécanisme de défaillance clair pour le LiCoO 2 cathodes causées par les dendrites de Li, et peut également offrir des informations sur les processus de décharge excessive dans les cathodes, " remarqua Du.

Poursuivant ce travail, L'équipe de Du a l'intention de fabriquer des batteries entièrement à l'état solide par des processus de dépôt en plusieurs étapes utilisant le dépôt par laser pulsé pour mieux comprendre les processus de transport d'ions à travers les interfaces bien définies.