Une nouvelle recherche décrit l'évolution des atomes de lithium nanostructuraux (bleu) se déposant sur une électrode (jaune) pendant l'opération de charge de la batterie. Image reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire national de l'Idaho
Des chercheurs du Laboratoire national de l'Idaho travaillant avec l'Université de Californie à San Diego ont montré des améliorations du comportement de charge. Les résultats suggèrent des stratégies qui amélioreront la recharge et augmenteront la longévité de la batterie. La recherche convaincante pour fabriquer des métaux vitreux :
Comparé au lithium cristallin, le lithium vitreux surpasse en réversibilité électrochimique et est une structure souhaitée pour les batteries rechargeables à haute énergie, ont écrit les auteurs. »
L'étude publiée dans Nature Materials par Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Anode métallique Glassy Li pour batteries Li rechargeables hautes performances. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1
Ici, la microscopie électronique à transmission cryogénique a été utilisée pour révéler la nanostructure évolutive des dépôts de métal Li à divers états transitoires dans le processus de nucléation et de croissance, dans lequel une transition de phase désordre-ordre a été observée en fonction de la densité de courant et du temps de dépôt . L'interaction atomique sur de larges échelles spatiales et temporelles a été représentée par des simulations de dynamique moléculaire réactive pour aider à comprendre la cinétique. Comparé au Li cristallin, le Li vitreux est plus performant en termes de réversibilité électrochimique, et il a une structure souhaitée pour les batteries Li rechargeables à haute énergie.
Nos découvertes corrèlent la cristallinité des noyaux avec la croissance ultérieure de la nanostructure et de la morphologie, et fournissent des stratégies pour contrôler et façonner la mésostructure du métal Li afin d'obtenir des performances élevées dans les batteries Li rechargeables.
—Wang et al.
Histoire complète :
Publié à l'origine par le Laboratoire national de l'Idaho
Les scientifiques des matériaux scrutant les premiers instants de la recharge de la batterie ont rencontré une entité étonnante. Leur découverte a défié les attentes, la logique et l'expérience. Plus important encore, cela pourrait ouvrir la porte à de meilleures batteries, à des catalyseurs plus rapides et à d'autres sauts dans la science des matériaux.
Des scientifiques du Laboratoire national de l'Idaho et de l'Université de Californie à San Diego ont étudié les premières étapes de la recharge du lithium au niveau atomique. À leur grande surprise, ils ont appris qu'une charge lente et à faible énergie provoquait le dépôt désorganisé d'atomes de lithium sur les électrodes, ce qui améliore le comportement de charge. Ce lithium "vitreux" non cristallin n'avait jamais été observé, et la création de tels métaux amorphes était traditionnellement extrêmement difficile.
Les résultats suggèrent des stratégies pour affiner les approches de recharge afin d'augmenter la durée de vie de la batterie et, curieusement, pour fabriquer des métaux vitreux pour d'autres applications. L'étude a été publiée en ligne cette semaine dans Nature Materials .
Le lithium métal est considéré comme une anode idéale pour les batteries rechargeables à haute énergie, qui doivent être légères tout en stockant beaucoup d'énergie. La recharge de telles batteries implique le dépôt d'atomes de lithium sur la surface de l'anode, un processus qui n'est pas bien compris au niveau atomique.
Les scientifiques savent que les anodes au lithium métal peuvent se recharger de manière erratique et, par conséquent, ne peuvent pas supporter de nombreux cycles de recharge. La façon dont les atomes de lithium se déposent sur l'anode peut varier d'un cycle de recharge à l'autre, probablement influencée par la première congrégation des premiers atomes, un processus connu sous le nom de nucléation.
"Cette nucléation initiale peut affecter les performances, la sécurité et la fiabilité de votre batterie", a déclaré Gorakh Pawar, un scientifique de l'INL et l'un des deux auteurs principaux de l'article. "Il est essentiel de comprendre le mécanisme sous-jacent du dépôt de lithium... en particulier au tout début de la nucléation", ont-ils écrit.
Pour découvrir comment les atomes de lithium se rejoignent pour la première fois lors de la recharge, les chercheurs ont combiné des images et des analyses d'un puissant microscope électronique avec un refroidissement à l'azote liquide et une modélisation informatique. L'approche pionnière de la microscopie électronique à cryo-état leur a permis de voir la création d'« embryons » de lithium métal, et les simulations informatiques ont contribué à expliquer ce qu'ils ont vu.
Le lithium, comme les autres métaux, existe généralement dans une phase cristalline structurée. Un tel lithium "granuleux" peut entraîner une recharge incohérente et des courts-circuits car les cristaux peuvent se développer sous différentes formes, a déclaré Pawar. La progression incohérente de la croissance du lithium d'un cycle de recharge à l'autre entraîne des formes irrégulières (alias dendrites) et peut raccourcir la durée de vie de la batterie.
Lorsque l'équipe de recherche a cherché à comprendre le processus initial de nucléation, elle a été surprise d'apprendre que certaines conditions créaient une forme de lithium moins structurée, amorphe (comme le verre) plutôt que cristalline (comme le diamant).
"La puissance de l'imagerie cryogénique pour découvrir de nouveaux phénomènes dans la science des matériaux est mise en évidence dans ce travail", a déclaré Shirley Meng, qui a dirigé les travaux pionniers de cryo-microscopie de l'UC San Diego. Elle a déclaré que les données d'imagerie et spectroscopiques obtenues sont souvent alambiquées et compliquées, notant :"C'est un véritable travail d'équipe qui nous a permis d'interpréter les données expérimentales en toute confiance, car la modélisation informatique a aidé à déchiffrer la complexité."
Comparé au lithium cristallin, le lithium vitreux surpasse en réversibilité électrochimique et est une structure souhaitée pour les batteries rechargeables à haute énergie », ont écrit les auteurs. La découverte a été un choc car des métaux élémentaires amorphes purs n'avaient jamais été observés auparavant. Ils sont extrêmement difficiles à produire, et seuls quelques mélanges métalliques (alliages) ont été observés avec une configuration « vitreuse », qui confère des propriétés matérielles puissantes.
De plus, l'équipe a appris qu'un embryon au lithium vitreux est plus susceptible de conserver sa structure amorphe tout au long de la croissance. Alors que les chercheurs cherchaient à comprendre quelles conditions favorisaient la nucléation vitreuse, ils ont de nouveau été choqués.
"Nous pouvons fabriquer du métal amorphe dans des conditions très douces à un taux de charge très lent", a déclaré Boryann Liaw, membre de la direction de l'INL et responsable des travaux de l'INL. "C'est assez surprenant."
Ce résultat était contre-intuitif car on pensait que des taux de dépôt lents permettraient aux atomes de se frayer un chemin dans un réseau ordonné - le lithium granuleux. Trouver du lithium vitreux dans de telles conditions était considéré comme impensable, a déclaré Liaw. Les travaux de modélisation ont expliqué comment la cinétique de la réaction entre en compétition avec la cristallisation pour entraîner la formation vitreuse. L'équipe a confirmé ces découvertes en créant des formes vitreuses de quatre métaux plus réactifs qui sont attrayants pour les applications de batterie.
La recherche suggère comment mieux obtenir des dépôts de lithium vitreux lors de la recharge de batteries à haute énergie. Une fois appliqué, le résultat pourrait aider à atteindre les objectifs du consortium Battery500, une initiative du ministère de l'Énergie qui a financé la recherche. Le consortium vise à développer des batteries de véhicules électriques commercialement viables avec une énergie spécifique au niveau des cellules de 500 Wh/kg.
"La véritable innovation doit provenir d'une compréhension scientifique très basique de tous les matériaux ou processus", a déclaré Liaw. De plus, cette nouvelle compréhension pourrait conduire à des catalyseurs métalliques plus efficaces, à des revêtements métalliques plus solides et à d'autres applications qui pourraient bénéficier des métaux vitreux.
.Corrélation entre la cristallinité du métal Li et les performances (à gauche) et les stratégies pour obtenir de meilleures performances (à droite). La performance (à gauche) est spécifiée comme la performance électrochimique du Li métal en tant qu'anode pour les batteries Li métal, y compris une efficacité coulombienne élevée (CE), une longue durée de vie, un faible changement de volume et l'absence de dendrites Li. La connexion structurelle est appelée capacité à maintenir la voie électronique et ionique pour le transfert de charge et le transport des ions ; une mauvaise connexion structurelle facilitera la perte d'activité électrochimique et formera du Li "mort". La réversibilité électrochimique est mesurée par le rapport de teneur du Li strippé par le Li plaqué, qui doit être proche de 100 %. La densité de dépôt idéale doit être cohérente avec la densité théorique du métal Li (0,534 g cm–3). Les stratégies proposées telles que l'utilisation du substrat 3D, la modification de la densité de courant, l'ingénierie de l'interphase et la conception d'électrolytes peuvent modifier le transfert d'énergie et le transfert de masse d'EDLi pendant la nucléation et la croissance, entraînant ainsi une cristallinité variée d'EDLi. Wang et al.
