Une équipe de chercheurs dirigée par des chimistes du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) a identifié de nouveaux détails sur le mécanisme de réaction qui se déroule dans les batteries avec des anodes au lithium métal. Les résultats, publié aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie , sont une étape majeure vers le développement de plus petites, briquet, et des batteries moins chères pour les véhicules électriques.

Recréer des anodes au lithium métal

Les batteries lithium-ion conventionnelles peuvent être trouvées dans une variété d'appareils électroniques, des smartphones aux véhicules électriques. Si les batteries lithium-ion ont permis la généralisation de nombreuses technologies, ils sont toujours confrontés à des défis pour alimenter les véhicules électriques sur de longues distances.

Pour construire une batterie mieux adaptée aux véhicules électriques, les chercheurs de plusieurs laboratoires nationaux et universités parrainées par le DOE ont formé un consortium appelé Battery500, dirigé par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE. Leur objectif est de fabriquer des cellules de batterie avec une densité d'énergie de 500 wattheures par kilogramme, qui est plus du double de la densité énergétique des batteries de pointe d'aujourd'hui. Faire cela, le consortium se concentre sur les batteries fabriquées avec des anodes au lithium métal.

Par rapport aux batteries lithium-ion, qui utilisent le plus souvent du graphite comme anode, les batteries au lithium métal utilisent du lithium métal comme anode.

"Les anodes en lithium métal sont l'un des composants clés pour atteindre la densité d'énergie recherchée par Battery500, " a déclaré le chimiste de Brookhaven Enyuan Hu, auteur principal de l'étude. "Leur avantage est double. Premièrement, leur capacité spécifique est très élevée; seconde, ils fournissent une batterie de tension un peu plus élevée. La combinaison conduit à une plus grande densité d'énergie."

Les scientifiques ont depuis longtemps reconnu les avantages des anodes au lithium métal; En réalité, ils ont été la première anode à être couplée à une cathode. Mais en raison de leur manque de "réversibilité, " la capacité d'être rechargé par une réaction électrochimique réversible, la communauté des batteries a finalement remplacé les anodes en lithium métal par des anodes en graphite, créer des batteries lithium-ion.

Maintenant, avec des décennies de progrès accomplis, les chercheurs sont convaincus qu'ils peuvent rendre les anodes au lithium métal réversibles, dépasser les limites des batteries lithium-ion. La clé est l'interphase, une couche de matériau solide qui se forme sur l'électrode de la batterie pendant la réaction électrochimique.

"Si nous sommes capables de bien comprendre l'interphase, nous pouvons fournir des conseils importants sur la conception des matériaux et rendre réversibles les anodes en lithium métal, ", a déclaré Hu. "Mais comprendre l'interphase est tout un défi car il s'agit d'une couche très mince d'une épaisseur de quelques nanomètres seulement. Il est également très sensible à l'air et à l'humidité, rendant la manipulation des échantillons très délicate."

Visualisation de l'interphase à NSLS-II

Pour relever ces défis et « voir » la composition chimique et la structure de l'interphase, les chercheurs se sont tournés vers la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven qui génère des rayons X ultra-brillants pour étudier les propriétés des matériaux à l'échelle atomique.

"Le flux élevé de NSLS-II nous permet d'examiner une très petite quantité de l'échantillon tout en générant des données de très haute qualité, " a dit Hu.

Au-delà des capacités avancées du NSLS-II dans son ensemble, l'équipe de recherche avait besoin d'utiliser une ligne de lumière (station expérimentale) capable de sonder toutes les composantes de l'interphase, y compris les phases cristallines et amorphes, avec des rayons X à haute énergie (courte longueur d'onde). Cette ligne de lumière était la ligne de lumière de diffraction des rayons X sur poudre (XPD).

« L'équipe de chimie a profité d'une approche multimodale à XPD, en utilisant deux techniques différentes offertes par la ligne de lumière, Analyse par diffraction des rayons X (XRD) et fonction de distribution de paires (PDF), " a déclaré Sanjit Ghose, scientifique en chef des lignes de lumière chez XPD. "XRD peut étudier la phase cristalline, tandis que PDF peut étudier la phase amorphe."

Les analyses XRD et PDF ont révélé des résultats passionnants :l'existence d'hydrure de lithium (LiH) dans l'interphase. Depuis des décennies, les scientifiques s'étaient demandé si LiH existait dans l'interphase, laissant une incertitude autour du mécanisme de réaction fondamental qui forme l'interphase.

"Quand nous avons vu pour la première fois l'existence de LiH, nous étions très enthousiastes car c'était la première fois que LiH existait dans l'interphase en utilisant des techniques avec une fiabilité statistique. Mais nous étions aussi prudents car les gens en doutaient depuis longtemps, " a dit Hu.

Co-auteur Xiao-Qing Yang, un physicien de la division de chimie de Brookhaven, ajoutée, "Le LiH et le fluorure de lithium (LiF) ont des structures cristallines très similaires. Notre affirmation sur le LiH aurait pu être contestée par des personnes qui pensaient que nous avions mal identifié LiF comme LiH."

Compte tenu de la controverse autour de cette recherche, ainsi que les défis techniques différenciant LiH de LiF, l'équipe de recherche a décidé de fournir plusieurs sources de preuves de l'existence de LiH, y compris une expérience d'exposition à l'air.

"LiF est stable à l'air, alors que LiH ne l'est pas, " Yang a dit. " Si nous avons exposé l'interphase à l'air avec de l'humidité, et si la quantité du composé à sonder diminue avec le temps, cela confirmerait que nous avons vu LiH, pas LiF. Et c'est exactement ce qui s'est passé. Étant donné que LiH et LiF sont difficiles à différencier et que l'expérience d'exposition à l'air n'avait jamais été réalisée auparavant, il est très probable que LiH a été identifié à tort comme LiF, ou non observé en raison de la réaction de décomposition de LiH avec l'humidité, dans de nombreux rapports de la littérature.

Yang continua, « La préparation des échantillons effectuée au PNNL était essentielle à ce travail. Nous soupçonnons également que de nombreuses personnes ne pouvaient pas identifier LiH parce que leurs échantillons avaient été exposés à l'humidité avant l'expérimentation. Si vous ne collectez pas l'échantillon, scelle le, et le transporter correctement, vous manquez."

En plus d'identifier la présence de LiH, l'équipe a également résolu un autre casse-tête de longue date centré sur LiF. LiF a été considéré comme un composant privilégié dans l'interphase, mais il n'a pas été entièrement compris pourquoi. L'équipe a identifié des différences structurelles entre LiF dans l'interphase et LiF dans la masse, with the former facilitating lithium ion transport between the anode and the cathode.

"From sample preparation to data analysis, we closely collaborated with PNNL, the U.S. Army Research Laboratory, and the University of Maryland, " said Brookhaven chemist Zulipiya Shadike, first author of the study. "As a young scientist, I learned a lot about conducting an experiment and communicating with other teams, especially because this is such a challenging topic."

Hu added, "This work was made possible by combining the ambitions of young scientists, wisdom from senior scientists, and patience and resilience of the team."

Beyond the teamwork between institutions, the teamwork between Brookhaven Lab's Chemistry Division and NSLS-II continues to drive new research results and capabilities.

"The battery group in the Chemistry Division works on a variety of problems in the battery field. They work with cathodes, anodes, and electrolytes, and they continue to bring XPD new issues to solve and challenging samples to study, " Ghose said. "That's exciting to be part of, but it also helps me develop methodology for other researchers to use at my beamline. Actuellement, we are developing the capability to run in situ and operando experiments, so researchers can scan the entire battery with higher spatial resolution as a battery is cycling."

The scientists are continuing to collaborate on battery research across Brookhaven Lab departments, other national labs, and universities. They say the results of this study will provide much-needed practical guidance on lithium metal anodes, propelling research on this promising material forward.