Des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont découvert un jeu moléculaire de chaises musicales qui nuit aux performances de la batterie.

Dans un article publié dans Nature Nanotechnologie , les chercheurs démontrent comment l'excitation des atomes d'oxygène qui contribue à une meilleure performance d'une batterie lithium-ion déclenche également un processus qui conduit à des dommages, expliquant un phénomène qui a été un mystère pour les scientifiques.

La recherche identifie la science derrière un obstacle sur la voie de la création d'une durée de vie plus longue, batteries lithium-ion rechargeables de plus grande capacité. C'est une découverte inattendue sur un processus qui se déroule chaque jour dans les batteries qui alimentent les téléphones portables, ordinateurs portables, et voitures électriques.

L'inconvénient de l'oxygène

Le contrôle de la façon dont les molécules s'assemblent et s'écoulent est crucial pour la capacité d'une batterie à stocker et à libérer de l'énergie. Dans une batterie lithium-ion, le processus de charge comprend le flux d'ions lithium de la cathode à travers l'électrolyte jusqu'à l'anode. Lors de la décharge, ces mêmes ions font un aller-retour vers la cathode, où ils devraient se réinstaller dans leurs positions assignées dans un réseau strictement réglementé où d'autres atomes, comme l'oxygène, nickel, cobalt, et magnésium, résident également. Ce va-et-vient constant est ce qui permet à la batterie de stocker et de libérer de l'énergie.

Pour dynamiser ce processus, les scientifiques augmentent le flux de lithium de la cathode en utilisant l'oxygène comme donneur d'électrons, mais cela se traduit par des atomes d'oxygène "excités" qui peuvent faire des ravages dans la cathode soigneusement construite. L'équipe du PNNL a découvert que ces molécules d'oxygène sont des faiseurs de mal :elles sont très mobiles et sont susceptibles de s'échapper de la surface, conduisant à une capacité moindre et éventuellement à une défaillance de la batterie, et ils échangent facilement des positions moléculaires, accentuer la structure de la batterie.

"Les atomes d'oxygène offrent des électrons, et cela augmente la capacité. Mais il y a un coût à payer; les gens ne s'en sont pas rendu compte, " a déclaré le scientifique du PNNL Chongmin Wang, qui a dirigé l'étude. "Nous savons que l'oxygène augmente les performances de la batterie, mais nous n'avons pas complètement compris tous les principes impliqués."

Bataille dans la cathode

L'équipe de Wang a localisé précisément ce qui arrive à l'oxygène dans la cathode, révélant une histoire de chaises musicales moléculaires impliquant des "intimidateurs excités à l'oxygène, " des brèches béantes créées par leur sortie opportuniste de la structure, et les ions lithium ont bloqué leurs efforts pour revenir d'où ils venaient.

L'équipe a montré que les atomes d'oxygène trop excités - créés lorsque les atomes d'oxygène ont fait don de leurs électrons - ont tendance à s'échapper de la surface de la cathode, laissant un vide dans le réseau de batterie soigneusement construit.

Lorsque les atomes d'oxygène à la surface s'en vont, des atomes d'oxygène supplémentaires dans la structure en vrac se frayent un chemin dans ces fentes maintenant vides. De plus en plus de molécules d'oxygène emboîtent le pas dans une réaction en chaîne, se frayant un chemin dans les fentes vides et s'échappant de la surface. Alors que le processus se poursuit, les défauts migrent de la surface de la cathode plus profondément dans le matériau, créant un grand trou ou vide. L'activité imite un processus que beaucoup d'entre nous connaissent trop bien :la carie dentaire, qui commence par un petit défaut sur une surface mais finit par s'approfondir et cause un problème plus important.

L'échange de site fait des ravages sur la structure atomique auparavant ordonnée d'une batterie. D'autres atomes comme le nickel, magnésium, cobalt, et l'oxygène commence à se déplacer et à agir efficacement comme des brutes, susceptible de voler un siège désigné pour le lithium pendant que le lithium est en train de faire une chimie de batterie utile.

Et les vides laissés par les atomes d'oxygène disparus commencent à se grouper en vides, présentant de formidables barrières et empêchant les ions lithium de revenir à leur place. Lorsque moins d'atomes de lithium sont capables de se réaffirmer dans les positions correctes dans la cathode, moins sont disponibles pour faire l'aller-retour entre l'anode et la cathode. Cela signifie que la batterie stocke de moins en moins d'énergie.

Finalement, le nombre élevé de vacances ou de vides déstabilise le treillis, conduisant à moins de capacité et finalement à une défaillance de la batterie.

Un garde du corps pour l'oxygène capricieux

"Une fois que vous avez perdu suffisamment d'atomes d'oxygène, la batterie perd de sa capacité et toute la structure s'effondre, " dit Wang, dont l'équipe du PNNL a également travaillé avec des scientifiques de l'Université de technologie de Pékin en Chine, Laboratoire national Lawrence Berkeley, et Laboratoire National d'Argonne.

L'équipe explore des moyens d'arrêter de tels défauts. Une idée est de stabiliser l'oxygène à la surface, de verrouiller plus étroitement les atomes d'oxygène dans leur position légitime et de les rendre moins susceptibles de s'échapper de la surface. L'équipe de Wang explore l'utilisation de molécules de zircone pour exercer son influence chimique et agir comme une sorte de garde du corps pour maintenir les atomes d'oxygène dans leurs positions appropriées. Cela signifierait moins de perte d'oxygène et aiderait à maintenir l'ensemble de la structure en ordre, allowing lithium ions to move back and forth with ease.