Charger et décharger une cellule de batterie transforme son matériau d’électrode en un « super » matériau.
Au cours de la dernière décennie, les progrès de la recherche et du développement ont conduit à des batteries lithium-ion plus efficaces. Pourtant, des lacunes importantes subsistent. L’un des défis est le besoin d’une recharge plus rapide, ce qui peut aider à accélérer l’adoption des véhicules électriques.
Une équipe de recherche dirigée par la Boise State University et l’Université de Californie à San Diego a adopté une approche non conventionnelle de ce problème. En utilisant les ressources du laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), ils ont créé un matériau haute performance pour les électrodes de batterie. Le composé, le pentoxyde de niobium, a une nouvelle structure cristalline. Il est prometteur pour accélérer la charge tout en offrant une excellente capacité de stockage.
L’étude de l’équipe a été publiée dans Matériaux naturels en mai 2022.
Pendant la charge, les ions lithium se déplacent de l’électrode positive (cathode) vers l’électrode négative (anode), généralement en graphite. À des vitesses de charge plus élevées, le lithium métallique a tendance à s’accumuler à la surface du graphite. Cet effet, connu sous le nom de placage, a tendance à dégrader les performances et peut provoquer un court-circuit, une surchauffe et un incendie des batteries.
Le pentoxyde de niobium est beaucoup moins sensible au placage, ce qui le rend potentiellement plus sûr et plus durable que le graphite. De plus, ses atomes peuvent s’organiser dans de nombreuses configurations stables différentes qui ne nécessitent pas beaucoup d’énergie pour se reconfigurer. Cela présente des opportunités pour les chercheurs de découvrir de nouvelles structures qui pourraient améliorer les performances des batteries.
Pour cette étude, les chercheurs ont construit une pile bouton avec du pentoxyde de niobium comme matériau d’électrode. (Une pile bouton, également connue sous le nom de pile bouton, est une petite batterie de forme circulaire.) Le pentoxyde de niobium avait une structure amorphe, c’est-à-dire un arrangement désordonné d’atomes. Lorsque la cellule a été chargée et déchargée de nombreuses fois, la structure désordonnée s’est transformée en une structure cristalline ordonnée. Cette structure particulière n’avait jamais été rapportée auparavant dans la littérature scientifique.
Par rapport à la disposition désordonnée, la structure cristalline a permis un transport plus facile et plus rapide des ions lithium dans l’anode pendant la charge. Cette découverte indique que le matériau promet une charge rapide, et d’autres mesures suggèrent qu’il peut stocker une grande quantité de charge.
Argonne propose plusieurs outils complémentaires
En raison des changements complexes au cours du cycle de charge-décharge, plusieurs outils de diagnostic complémentaires étaient nécessaires pour une compréhension globale. C’est là qu’Argonne – et deux installations d’utilisateurs du DOE Office of Science au laboratoire – sont intervenues.
Yuzi Liu, scientifique au Centre des matériaux à l’échelle nanométrique (CNM) d’Argonne, a utilisé une technique appelée microscopie électronique à transmission pour vérifier la transformation structurelle de l’amorphe au cristallin. Cette technique envoie des faisceaux d’électrons à haute énergie à travers un échantillon de matériau. Il crée des images numériques basées sur l’interaction des électrons avec l’échantillon. Les images montrent comment les atomes sont disposés.
« Étant donné que le faisceau d’électrons est focalisé sur une petite zone de l’échantillon, la technique fournit des informations détaillées sur cette zone particulière », a déclaré Liu.
Hua Zhou, un physicien de l’APS (Advanced Photon Source) d’Argonne, a confirmé le changement structurel avec une autre technique connue sous le nom de diffraction des rayons X synchrotron. Cela implique de frapper l’échantillon avec des faisceaux de rayons X à haute énergie, qui sont diffusés par les électrons des atomes du matériau. Un détecteur mesure cette diffusion pour caractériser la structure du matériau.
La diffraction des rayons X est efficace pour fournir des informations sur les changements structurels globaux à travers un échantillon de matériau entier. Cela peut être utile pour étudier les matériaux des électrodes de batterie car leurs structures ont tendance à varier d’une zone à l’autre.
« En frappant le matériau de l’anode avec des faisceaux de rayons X à différents angles, j’ai confirmé qu’il était uniformément cristallin le long de la surface et à l’intérieur », a déclaré Zhou.
La recherche s’est également appuyée sur d’autres capacités d’Argonne pour caractériser les matériaux. Justin Connell, scientifique des matériaux au laboratoire de découverte électrochimique d’Argonne, a utilisé un outil appelé spectroscopie photoélectronique à rayons X pour évaluer le matériau de l’anode. Connell a projeté des faisceaux de rayons X dans l’anode, en éjectant des électrons avec une certaine énergie.
« La technique a révélé que les atomes de niobium gagnent plusieurs électrons lorsque la cellule est chargée », a déclaré Connell. « Cela suggère que l’anode a une capacité de stockage élevée. »
Le physicien d’Argonne Sungsik Lee a également évalué le gain et la perte d’électrons du niobium. Il a utilisé une autre technique appelée spectroscopie d’absorption des rayons X. Cela impliquait de frapper le matériau de l’anode avec des faisceaux de rayons X synchrotron intenses et de mesurer la transmission et l’absorption des rayons X dans le matériau.
« La technique a fourni une image globale de l’état des électrons sur toute l’anode », a déclaré Lee. « Cela a confirmé que le niobium gagne plusieurs électrons. »
L’Argonne a la particularité de disposer de toutes ces capacités de recherche sur son campus. Claire Xiong, chercheuse principale de l’étude, a effectué ses recherches postdoctorales au CNM d’Argonne avant de rejoindre la faculté de l’État de Boise en tant que scientifique des matériaux. Elle connaissait bien les vastes capacités d’Argonne et avait déjà collaboré avec les scientifiques d’Argonne qui avaient contribué à l’étude.
« Les installations et le personnel d’Argonne sont de classe mondiale », a déclaré Xiong. « Ce travail de découverte de la transformation unique du pentoxyde de niobium a énormément bénéficié de la collaboration avec les scientifiques d’Argonne. Il a également bénéficié de l’accès à l’APS, au Laboratoire de découverte électrochimique et au CNM. »
Il est très difficile de fabriquer du pentoxyde de niobium cristallin à haute performance avec des méthodes de synthèse traditionnelles, telles que celles qui soumettent les matériaux à la chaleur et à la pression. L’approche de synthèse non conventionnelle utilisée avec succès dans cette étude – charger et décharger une cellule de batterie – pourrait être appliquée pour fabriquer d’autres matériaux de batterie innovants. Il pourrait même soutenir la fabrication de nouveaux matériaux dans d’autres domaines, tels que les semi-conducteurs et les catalyseurs.
Pete Barnes et al, Transformation de phase amorphe en sel gemme induite électrochimiquement dans une électrode d’oxyde de niobium pour batteries Li-ion, Matériaux naturels (2022). DOI : 10.1038/s41563-022-01242-0