De petites batteries ont été utilisées pour étudier la formation spontanée de structures creuses à l'échelle nanométrique dans le laboratoire de Matthew McDowell à Georgia Tech. Crédit :Matthew McDowell, Géorgie Tech
Une propriété inattendue des cristaux d'antimoine à l'échelle nanométrique - la formation spontanée de structures creuses - pourrait aider à donner à la prochaine génération de batteries lithium-ion une densité énergétique plus élevée sans réduire la durée de vie des batteries. Les structures à évidement réversible pourraient permettre aux batteries lithium-ion de contenir plus d'énergie et donc de fournir plus de puissance entre les charges.
Le flux d'ions lithium entrant et sortant des anodes de batterie en alliage a longtemps été un facteur limitant de la quantité d'énergie que les batteries pourraient contenir en utilisant des matériaux conventionnels. Un flux d'ions trop important fait gonfler les matériaux d'anode puis rétrécir pendant les cycles de charge-décharge, provoquant une dégradation mécanique qui raccourcit la durée de vie de la batterie. Pour régler ce problème, les chercheurs ont déjà développé des nanoparticules creuses en forme de coquille qui s'adaptent au changement de volume causé par le flux d'ions, mais leur fabrication a été complexe et coûteuse.
Maintenant, une équipe de recherche a découvert que des particules mille fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain forment spontanément des structures creuses pendant le cycle de charge-décharge sans changer de taille, permettant plus de flux d'ions sans endommager les anodes. La recherche a été publiée le 1er juin dans le journal Nature Nanotechnologie .
« L'ingénierie intentionnelle des nanomatériaux creux est faite depuis un certain temps maintenant, et c'est une approche prometteuse pour améliorer la durée de vie et la stabilité des batteries à haute densité énergétique, " a déclaré Matthew McDowell, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering et à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. « Le problème est que la synthèse directe de ces nanostructures creuses à grande échelle nécessaire pour les applications commerciales est difficile et coûteuse. Notre découverte pourrait offrir un moyen plus simple, processus rationalisé qui pourrait conduire à des performances améliorées d'une manière similaire aux structures creuses intentionnellement conçues. »
Les chercheurs ont fait leur découverte à l'aide d'un microscope électronique à haute résolution qui leur a permis de visualiser directement les réactions de la batterie lorsqu'elles se produisent à l'échelle nanométrique. "C'est un type d'expérience délicat, mais si vous êtes patient et faites les expériences correctement, vous pouvez apprendre des choses vraiment importantes sur le comportement des matériaux dans les batteries, " a déclaré McDowell.
L'équipe, qui comprenait des chercheurs de l'ETH Zürich et du Oak Ridge National Laboratory, a également utilisé la modélisation pour créer un cadre théorique permettant de comprendre pourquoi les nanoparticules se creusent spontanément, au lieu de se rétrécir, lors du retrait du lithium de la batterie.
Une image au microscope électronique montre les nanoparticules d'antimoine utilisées dans la recherche sur la formation spontanée de structures creuses pour les électrodes de batterie. Crédit :Matthew Boebinger, Géorgie Tech
La capacité de former et de remplir de manière réversible des particules creuses pendant le cycle de la batterie ne se produit que dans les nanocristaux d'antimoine recouverts d'oxyde d'un diamètre inférieur à environ 30 nanomètres. L'équipe de recherche a découvert que le comportement provient d'une couche d'oxyde natif résiliente qui permet une expansion initiale pendant la lithiation - flux d'ions dans l'anode - mais empêche mécaniquement le rétrécissement car l'antimoine forme des vides lors de l'élimination des ions, un processus connu sous le nom de délithiation.
La découverte était un peu surprenante car des travaux antérieurs sur des matériaux connexes avaient été effectués sur des particules plus grosses, qui se dilatent et se rétractent au lieu de former des structures creuses. « Quand nous avons observé pour la première fois le comportement distinctif du creusement, c'était très excitant et nous avons immédiatement su que cela pourrait avoir des implications importantes pour les performances de la batterie, " a déclaré McDowell.
L'antimoine est relativement cher et n'est actuellement pas utilisé dans les électrodes de batterie commerciales. Mais McDowell pense que le creusement spontané peut également se produire dans des matériaux connexes moins coûteux tels que l'étain. Les prochaines étapes consisteraient à tester d'autres matériaux et à tracer une voie vers une mise à l'échelle commerciale.
« Il serait intéressant de tester d'autres matériaux pour voir s'ils se transforment selon un mécanisme de creusement similaire, " at-il dit. " Cela pourrait élargir la gamme de matériaux disponibles pour une utilisation dans les batteries. Les petites batteries de test que nous avons fabriquées ont montré des performances de charge-décharge prometteuses, nous aimerions donc évaluer les matériaux dans des batteries plus grandes."
Bien qu'ils puissent être coûteux, les nanocristaux d'antimoine auto-creusés ont une autre propriété intéressante :ils pourraient également être utilisés dans des batteries sodium-ion et potassium-ion, systèmes émergents pour lesquels beaucoup plus de recherches doivent être menées.
"Ce travail fait progresser notre compréhension de l'évolution de ce type de matériau à l'intérieur des batteries, " McDowell a déclaré. "Ces informations seront essentielles pour la mise en œuvre du matériau ou des matériaux connexes dans la prochaine génération de batteries lithium-ion, qui sera capable de stocker plus d'énergie et d'être tout aussi durable que les batteries que nous avons aujourd'hui."
