Lorsque les ions lithium entrent et sortent d'une électrode de batterie pendant la charge et la décharge, un tout petit peu d'oxygène s'échappe et la tension de la batterie's - une mesure de la quantité d'énergie qu'elle délivre - s'estompe un peu tout aussi. Les pertes s'accumulent avec le temps et peuvent éventuellement réduire de 10 à 15 % la capacité de stockage d'énergie de la batterie &.
Maintenant, les chercheurs ont mesuré ce processus ultra-lent avec des détails sans précédent, montrant comment les trous ou lacunes laissés par les atomes d'oxygène qui s'échappent modifient la structure et la chimie de l'électrode's et réduisent progressivement la quantité d'énergie qu'elle peut stocker.
Les résultats contredisent certaines des hypothèses que les scientifiques avaient formulées à propos de ce processus et pourraient suggérer de nouvelles façons de concevoir des électrodes pour l'empêcher.
L'équipe de recherche du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie&et de l'Université de Stanford ont décrit aujourd'hui leurs travaux dans Nature Energy.
& quot;Nous avons pu mesurer un très petit degré d'oxygène s'écoulant, très lentement, sur des centaines de cycles," a déclaré Peter Csernica, un doctorant de Stanford qui a travaillé sur les expériences avec le professeur agrégé Will Chueh."Le fait qu'il'se si lent est aussi ce qui l'a rendu difficile à détecter."
Une chaise berçante à double sens
Les batteries lithium-ion fonctionnent comme une chaise berçante, déplaçant les ions lithium entre deux électrodes qui stockent temporairement la charge. Idéalement, ces ions sont les seuls éléments entrant et sortant des milliards de nanoparticules qui composent chaque électrode. Mais les chercheurs savent depuis un certain temps que des atomes d'oxygène s'échappent des particules lorsque le lithium se déplace d'avant en arrière. Les détails ont été difficiles à cerner car les signaux de ces fuites sont trop petits pour être mesurés directement.
& quot;La quantité totale de fuite d'oxygène, sur 500 cycles de charge et de décharge de la batterie, est de 6 %," dit Csernica."Ce'n'est pas un si petit nombre, mais si vous essayez de mesurer la quantité d'oxygène qui sort pendant chaque cycle, c'est'environ un centième de un pour cent."
Dans cette étude, les chercheurs ont plutôt mesuré la fuite indirectement, en examinant comment la perte d'oxygène modifie la chimie et la structure des particules. Ils ont suivi le processus à plusieurs échelles de longueur - des plus petites nanoparticules aux amas de nanoparticules à toute l'épaisseur d'une électrode.
Parce qu'il's si difficile pour les atomes d'oxygène de se déplacer dans les matériaux solides aux températures où fonctionnent les batteries, la sagesse conventionnelle a été que les fuites d'oxygène proviennent uniquement de la surface des nanoparticules, a déclaré Chueh, bien que cela ait fait l'objet d'un débat.
Pour voir de plus près ce qui se passe's, l'équipe de recherche a fait cycler les batteries pendant différentes durées, les a démontées et a découpé les nanoparticules d'électrode pour un examen détaillé au Lawrence Berkeley National Laboratory' s Source de lumière avancée. Là, un microscope à rayons X spécialisé a balayé les échantillons, créant des images haute résolution et sondant la composition chimique de chaque minuscule tache. Ces informations ont été combinées à une technique informatique appelée ptychographie pour révéler des détails à l'échelle nanométrique, mesurés en milliardièmes de mètre.
Pendant ce temps, à la source de lumière synchrotron Stanford du SLAC's, l'équipe a filmé des rayons X à travers des électrodes entières pour confirmer que ce qu'ils voyaient au niveau nanométrique était également vrai à une échelle beaucoup plus grande.
Un éclat, puis un filet
En comparant les résultats expérimentaux avec des modèles informatiques sur la façon dont la perte d'oxygène pourrait se produire, l'équipe a conclu qu'une première bouffée d'oxygène s'échappe des surfaces des particules, suivie d'un filet très lent de l'intérieur. Là où les nanoparticules se sont agglomérées pour former des amas plus gros, celles situées près du centre de l'amas ont perdu moins d'oxygène que celles situées près de la surface.
Une autre question importante, a déclaré Chueh, est de savoir comment la perte d'atomes d'oxygène affecte le matériau qu'ils ont laissé derrière eux."Ce'est en fait un grand mystère," il a dit."Imaginez que les atomes des nanoparticules soient comme des sphères compactes. Si vous continuez à retirer des atomes d'oxygène, le tout pourrait s'effondrer et se densifier, car la structure aime rester étroitement emballée."
Étant donné que cet aspect de la structure de l'électrode's n'a pas pu être directement imagé, les scientifiques ont à nouveau comparé d'autres types d'observations expérimentales avec des modèles informatiques de divers scénarios de perte d'oxygène. Les résultats ont indiqué que les lacunes persistent - le matériau ne s'effondre pas et ne se densifie pas - et suggèrent comment ils contribuent au déclin progressif de la batterie's.
& quot;Lorsque l'oxygène s'en va, les atomes de manganèse, de nickel et de cobalt environnants migrent. Tous les atomes dansent hors de leurs positions idéales," dit Chueh."Ce réarrangement des ions métalliques, ainsi que les changements chimiques causés par l'oxygène manquant, dégradent la tension et l'efficacité de la batterie au fil du temps. Les gens connaissent des aspects de ce phénomène depuis longtemps, mais le mécanisme n'était pas clair."
Maintenant, a-t-il dit,"nous avons cette compréhension scientifique ascendante" de cette importante source de dégradation de la batterie, ce qui pourrait conduire à de nouvelles façons d'atténuer la perte d'oxygène et ses effets néfastes.
