Le groupe Singer exploite les défauts et les dislocations dans les électrolytes à l'état solide pour créer des matériaux de stockage d'énergie supérieurs. Crédit :Société chimique américaine
Certaines imperfections rapportent gros.
Une collaboration dirigée par Cornell a utilisé la nano-imagerie aux rayons X pour obtenir une vue sans précédent sur les électrolytes à l'état solide, révélant des défauts cristallins et des dislocations auparavant non détectés qui peuvent maintenant être exploités pour créer des matériaux de stockage d'énergie supérieurs.
Le papier du groupe, "Nanoimagerie aux rayons X des défauts cristallins dans des grains uniques d'électrolyte à l'état solide Li
Pendant un demi-siècle, les scientifiques des matériaux ont étudié les effets de minuscules défauts dans les métaux. L'évolution des outils d'imagerie a maintenant créé des opportunités pour explorer des phénomènes similaires dans d'autres matériaux, notamment celles utilisées pour le stockage de l'énergie.
Un groupe dirigé par Andrej Singer, professeur adjoint et membre de la faculté David Croll du 150e anniversaire du Département de science et génie des matériaux, utilise le rayonnement synchrotron pour découvrir des défauts à l'échelle atomique dans les matériaux de batterie que les approches conventionnelles, comme la microscopie électronique, n'ont pas réussi à trouver.
Le groupe Singer s'intéresse particulièrement aux électrolytes à l'état solide car ils pourraient potentiellement être utilisés pour remplacer les électrolytes liquides et polymères dans les batteries lithium-ion. L'un des inconvénients majeurs des électrolytes liquides est qu'ils sont sensibles à la formation de dendrites hérissées entre l'anode et la cathode, qui court-circuite la batterie ou, encore pire, le faire exploser.
Les électrolytes solides ont la vertu de ne pas être inflammables, mais ils présentent leurs propres défis. Ils ne conduisent pas les ions lithium aussi fortement ou rapidement que les fluides, et le maintien du contact entre l'anode et la cathode peut être difficile. Les électrolytes à l'état solide doivent également être extrêmement minces; autrement, la batterie serait trop encombrante et tout gain de capacité serait annulé.
La seule chose qui pourrait rendre les électrolytes à l'état solide viables ? Petits défauts, a dit le chanteur.
"Ces défauts pourraient faciliter la diffusion ionique, ils pourraient donc permettre aux ions d'aller plus vite. C'est quelque chose qui est connu pour se produire dans les métaux, " dit-il. " Aussi comme dans les métaux, avoir des défauts est meilleur en termes de prévention des fractures. Ils pourraient donc rendre le matériau moins sujet à la rupture."
Le groupe du chanteur a collaboré avec Nikolaos Bouklas, professeur adjoint à la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering et co-auteur de l'article, qui les a aidés à comprendre comment les défauts et les dislocations peuvent avoir un impact sur les propriétés mécaniques des électrolytes à l'état solide.
L'équipe Cornell s'est ensuite associée à des chercheurs de Virginia Tech, dirigés par Feng Lin, le co-auteur principal de l'article, qui a synthétisé l'échantillon :une structure cristalline de grenat, oxyde de lithium lanthane zirconium (LLZO), avec diverses concentrations d'aluminium ajoutées dans un processus appelé dopage.
En utilisant la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis, ils ont utilisé une technique appelée Bragg Coherent Diffractive Imaging dans laquelle un pur, Le faisceau de rayons X en colonne est focalisé, un peu comme un pointeur laser, sur un seul grain de LLZO de la taille d'un micron. Les électrolytes sont constitués de millions de ces grains. Le faisceau a créé une image 3D qui a finalement révélé la morphologie et les déplacements atomiques du matériau.
"Ces électrolytes étaient supposés être des cristaux parfaits, " dit Sun. "Mais ce que nous trouvons, ce sont des défauts tels que des dislocations et des joints de grains qui n'ont jamais été signalés auparavant. Sans notre imagerie 3D, qui est extrêmement sensible aux défauts, il serait probablement impossible de voir ces dislocations parce que la densité de dislocations est si faible."
Les chercheurs prévoient maintenant de mener une étude qui mesure l'impact des défauts sur les performances des électrolytes à l'état solide dans une batterie réelle.
"Maintenant que nous savons exactement ce que nous recherchons, nous voulons trouver ces défauts et les regarder pendant que nous actionnons la batterie, " a déclaré Singer. " Nous en sommes encore loin, mais nous sommes peut-être au début d'un nouveau développement où nous pouvons concevoir ces défauts exprès pour fabriquer de meilleurs matériaux de stockage d'énergie."
