Les batteries lithium-ion rechargeables ne durent pas éternellement – après suffisamment de cycles de charge et de recharge, elles finiront par tomber en panne, de sorte que les chercheurs recherchent constamment des moyens de tirer un peu plus de vie de leurs conceptions de batterie.
Aujourd’hui, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie et des collègues de l’Université Purdue, de Virginia Tech, et de l’European Synchrotron Radiation Facility ont découvert que les facteurs à l’origine de la dégradation des batteries changent avec le temps. Au début, la désintégration semble être motivée par les propriétés des particules d’électrode individuelles, mais après plusieurs dizaines de cycles de charge, c’est la façon dont ces particules sont assemblées qui importe le plus.
« Les éléments constitutifs fondamentaux sont ces particules qui composent l’électrode de la batterie, mais lorsque vous effectuez un zoom arrière, ces particules interagissent les unes avec les autres », a déclaré Yijin Liu, scientifique du SLAC, chercheur au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource du laboratoire et auteur principal sur le nouveau papier. Par conséquent, « si vous voulez construire une meilleure batterie, vous devez regarder comment assembler les particules ».
Voir la forêt pour les arbres
La nouvelle étude, publiée le 29 avril dans Science, s’appuie sur des recherches antérieures dans lesquelles Liu et ses collègues ont utilisé des techniques de vision par ordinateur pour étudier comment les particules individuelles qui composent une électrode de batterie rechargeable se désagrègent au fil du temps. Cette fois, l’objectif était d’étudier non seulement les particules individuelles, mais aussi la façon dont elles travaillent ensemble pour prolonger ou dégrader la durée de vie de la batterie.
Keije Zhao, un professeur de génie mécanique de Purdue qui, avec Liu et le professeur de chimie de Virginia Tech, Feng Lin, était un auteur principal, a comparé le problème aux personnes travaillant en groupe. « Les particules de batterie sont comme les gens – nous commençons tous par suivre notre propre chemin », a déclaré Zhao. « Mais finalement nous rencontrons d’autres personnes, et nous nous retrouvons en groupes, allant dans la même direction. Pour comprendre l’efficacité maximale, nous devons étudier les deux le comportement individuel des particules, et comment ces particules se comportent en groupes. »
Pour explorer cette idée, les co-premiers auteurs Jizhou Li, un boursier postdoctoral SSRL, et Nikhil Sharma, un étudiant diplômé de Purdue, ont fait équipe avec Liu, Lin et Zhao et d’autres collègues pour étudier les cathodes de batterie avec des rayons X. Ils ont utilisé la tomographie à rayons X pour reconstruire des images tridimensionnelles des cathodes après qu’elles aient traversé 10 ou 50 cycles de charge. Ils ont découpé ces images 3D en une série de tranches 2D et ont utilisé des méthodes de vision par ordinateur pour identifier les particules.
La durée de vie d’une batterie
Au final, ils ont identifié plus de 2 000 particules individuelles, pour lesquelles ils ont calculé non seulement les caractéristiques des particules individuelles telles que la taille, la forme et la rugosité de surface, mais également des caractéristiques plus globales, telles que la fréquence à laquelle les particules sont entrées en contact direct les unes avec les autres et la variation. les formes des particules étaient.
Ensuite, ils ont examiné comment chacune de ces propriétés contribuait à la décomposition des particules, et un schéma frappant a émergé. Après 10 cycles de charge, les facteurs les plus importants étaient les propriétés des particules individuelles, y compris la sphérique des particules et le rapport du volume des particules à la surface. Après 50 cycles, cependant, les attributs de paire et de groupe – tels que la distance entre deux particules, la variété de leurs formes et si des particules plus allongées en forme de ballon de football étaient orientées de la même manière – ont entraîné la décomposition des particules.
« Ce n’est plus seulement la particule elle-même. Ce sont les interactions particule-particule » qui comptent, a déclaré Liu. C’est important, a-t-il dit, car cela signifie que les fabricants pourraient développer des techniques pour contrôler ces propriétés. Par exemple, ils pourraient être en mesure d’utiliser des champs magnétiques ou électriques pour aligner des particules allongées les unes avec les autres, ce qui, selon les nouveaux résultats, se traduirait par une durée de vie plus longue de la batterie.
Et, a déclaré le co-auteur principal et chimiste de Virginia Tech, Feng Lin, les résultats pourraient être appliqués au-delà des détails de la présente recherche. « Cette étude met vraiment en lumière la façon dont nous pouvons concevoir et fabriquer des électrodes de batterie pour obtenir une longue durée de vie des batteries », a déclaré Lin. « Nous sommes ravis de mettre en œuvre la compréhension des batteries de nouvelle génération, à faible coût et à charge rapide. »
Jizhou Li et al, Dynamique du réseau de particules dans les cathodes de batterie composites, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abm8962. www.science.org/doi/10.1126/science.abm8962