Les chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) ont une longue histoire de découvertes pionnières dans le domaine des batteries lithium-ion. Beaucoup de ces résultats concernent la cathode de la batterie, appelée NMC, le nickel-manganèse et l'oxyde de cobalt. Une batterie dotée de cette cathode alimente désormais la Chevrolet Bolt.
Les chercheurs d'Argonne ont réalisé une nouvelle avancée dans le domaine des cathodes NMC. La nouvelle structure de minuscules particules cathodiques de l'équipe pourrait rendre la batterie plus durable et plus sûre, capable de fonctionner à des tensions très élevées et d'offrir des distances de déplacement plus longues.
« Nous disposons désormais de conseils que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux cathodiques sans bordure et à haute pression », Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Les cathodes NMC existantes constituent un obstacle majeur pour les travaux à haute tension", a déclaré le chimiste adjoint Guiliang Xu. Avec les cycles de charge-décharge, les performances chutent rapidement en raison de la formation de fissures dans les particules cathodiques. Depuis des décennies, les chercheurs en batteries cherchent des moyens de réparer ces fissures.
Dans le passé, une méthode utilisait de minuscules particules sphériques composées de nombreuses particules beaucoup plus petites. Les grosses particules sphériques sont polycristallines, avec des domaines cristallins d'orientations diverses. En conséquence, ils ont ce que les scientifiques appellent des limites de grains entre les particules, ce qui peut provoquer la fissuration de la batterie au cours d'un cycle. Pour éviter cela, les collègues de Xu et Argonne avaient précédemment développé un revêtement polymère protecteur autour de chaque particule. Ce revêtement entoure de grosses particules sphériques et des particules plus petites en leur sein.
Une autre façon d’éviter ce type de fissuration consiste à utiliser des particules monocristallines. La microscopie électronique de ces particules a montré qu'elles n'ont pas de frontières.
Le problème pour l’équipe était que les cathodes fabriquées à partir de polycristaux et de monocristaux enrobés se fissuraient encore pendant le cyclisme. Par conséquent, ils ont effectué une analyse approfondie de ces matériaux cathodiques à l’Advanced Photon Source (APS) et au Center for Nanomaterials (CNM) du Argonne Science Center du Département américain de l’énergie.
Diverses analyses aux rayons X ont été réalisées sur cinq bras APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C et 34-ID-E). Il s’avère que ce que les scientifiques pensaient être un monocristal, comme le montrent la microscopie électronique et à rayons X, avait en réalité une limite à l’intérieur. La microscopie électronique à balayage et à transmission des CNM a confirmé cette conclusion.
"Lorsque nous avons examiné la morphologie de surface de ces particules, elles ressemblaient à des monocristaux", a déclaré le physicien Wenjun Liu. â�<"是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜的技术和其他技术时，我们发现"C'est vrai. " â� <"但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们发现 边界 隐藏 在。”"Cependant, lorsque nous avons utilisé une technique appelée microscopie à diffraction des rayons X synchrotron et d'autres techniques à l'APS, nous avons découvert que les limites étaient cachées à l'intérieur."
Ce qui est important, c’est que l’équipe a développé une méthode permettant de produire des monocristaux sans limites. Les tests de petites cellules avec cette cathode monocristalline à très haute tension ont montré une augmentation de 25 % du stockage d'énergie par unité de volume avec pratiquement aucune perte de performances sur 100 cycles de test. En revanche, les cathodes NMC composées de monocristaux multi-interfaces ou de polycristaux enrobés ont présenté une baisse de capacité de 60 % à 88 % au cours de la même durée de vie.
Les calculs à l'échelle atomique révèlent le mécanisme de réduction de la capacité cathodique. Selon Maria Chang, nanoscientifique au CNM, les limites sont plus susceptibles de perdre des atomes d'oxygène lorsque la batterie est chargée que les zones plus éloignées. Cette perte d'oxygène entraîne une dégradation du cycle cellulaire.
"Nos calculs montrent comment la frontière peut conduire à la libération d'oxygène à haute pression, ce qui peut entraîner une réduction des performances", a déclaré Chan.
L'élimination de la limite empêche le dégagement d'oxygène, améliorant ainsi la sécurité et la stabilité cyclique de la cathode. Les mesures de l'évolution de l'oxygène avec l'APS et une source de lumière avancée au Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département américain de l'énergie confirment cette conclusion.
« Nous disposons désormais de directives que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux cathodiques sans frontières et fonctionnant à haute pression », a déclaré Khalil Amin, membre émérite d'Argonne. » »"Les lignes directrices devraient s'appliquer aux matériaux cathodiques autres que le NMC."
Un article sur cette étude est paru dans la revue Nature Energy. Outre Xu, Amin, Liu et Chang, les auteurs d'Argonne sont Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu , Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du et Zonghai Chen. Scientifiques du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li et Zengqing Zhuo), de l'Université de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang et Shi-Gang Sun) et de l'Université Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng et Mingao Ouyang).
À propos du Centre Argonne pour les nanomatériaux Le Centre pour les nanomatériaux, l'un des cinq centres de recherche en nanotechnologie du Département américain de l'énergie, est la première institution nationale utilisatrice de recherche interdisciplinaire à l'échelle nanométrique soutenue par l'Office of Science du Département américain de l'énergie. Ensemble, les NSRC forment une suite d'installations complémentaires qui fournissent aux chercheurs des capacités de pointe pour fabriquer, traiter, caractériser et modéliser des matériaux à l'échelle nanométrique et représentent le plus grand investissement d'infrastructure dans le cadre de l'Initiative nationale sur les nanotechnologies. Le NSRC est situé dans les laboratoires nationaux du département américain de l'Énergie à Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia et Los Alamos. Pour plus d'informations sur le NSRC DOE, visitez https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ euh​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​en​​un​​coup d'œil.
La source de photons avancée (APS) du ministère américain de l'Énergie située au laboratoire national d'Argonne est l'une des sources de rayons X les plus productives au monde. APS fournit des rayons X de haute intensité à une communauté de recherche diversifiée dans les domaines de la science des matériaux, de la chimie, de la physique de la matière condensée, des sciences de la vie et de l'environnement et de la recherche appliquée. Ces rayons X sont idéaux pour étudier les matériaux et les structures biologiques, la distribution des éléments, les états chimiques, magnétiques et électroniques, ainsi que les systèmes d'ingénierie techniquement importants de toutes sortes, des batteries aux injecteurs de carburant, qui sont vitaux pour notre économie nationale, notre technologie. . et corps La base de la santé. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent l'APS pour publier plus de 2 000 publications détaillant des découvertes importantes et résolvant des structures protéiques biologiques plus importantes que les utilisateurs de tout autre centre de recherche sur les rayons X. Les scientifiques et ingénieurs de l'APS mettent en œuvre des technologies innovantes qui constituent la base de l'amélioration des performances des accélérateurs et des sources lumineuses. Cela inclut des dispositifs d'entrée qui produisent des rayons X extrêmement brillants prisés par les chercheurs, des lentilles qui focalisent les rayons X jusqu'à quelques nanomètres, des instruments qui maximisent la façon dont les rayons X interagissent avec l'échantillon étudié, ainsi que la collecte et la gestion des découvertes APS. La recherche génère d’énormes volumes de données.
Cette étude a utilisé les ressources d'Advanced Photon Source, un centre d'utilisateurs de l'Office of Science du Département américain de l'énergie, exploité par le Laboratoire national d'Argonne pour l'Office of Science du Département américain de l'énergie sous le numéro de contrat DE-AC02-06CH11357.
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