Les chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont une longue histoire de découvertes pionnières dans le domaine des batteries lithium-ion. Nombre de ces résultats concernent la cathode de la batterie, appelée NMC, un oxyde de nickel-manganèse-cobalt. Une batterie équipée 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 mise au point par l'équipe pourrait rendre la batterie plus durable et plus sûre, capable de fonctionner à très haute tension et d'offrir une plus grande autonomie.
« Nous disposons désormais de conseils que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux de cathode sans bordure et à haute pression », a déclaré Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
« Les cathodes NMC existantes constituent un obstacle majeur au fonctionnement à haute tension », a déclaré Guiliang Xu, chimiste adjoint. Avec les cycles de charge-décharge, les performances chutent rapidement en raison de la formation de fissures dans les particules de la cathode. Depuis des décennies, les chercheurs en batteries cherchent des moyens de réparer ces fissures.
Une méthode utilisée par le passé utilisait de minuscules particules sphériques composées de nombreuses particules beaucoup plus petites. Les grosses particules sphériques sont polycristallines, avec des domaines cristallins d'orientations variées. De ce fait, elles présentent ce que les scientifiques appellent des joints 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 d'Argonne avaient précédemment développé un revêtement polymère protecteur autour de chaque particule. Ce revêtement entoure les grosses particules sphériques et les particules plus petites qu'elles contiennent.
Une autre façon d'éviter ce type de fissuration est d'utiliser des particules monocristallines. La microscopie électronique de ces particules a montré qu'elles ne présentent aucune limite.
Le problème pour l'équipe était que les cathodes constituées de polycristaux et de monocristaux enrobés continuaient à se fissurer pendant le cyclage. C'est pourquoi ils ont mené des analyses approfondies de ces matériaux cathodiques à l'Advanced Photon Source (APS) et au Center for Nanomaterials (CNM) de l'Argonne Science Center du Département de l'Énergie des États-Unis.
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 l'ont montré les microscopies électronique et à rayons X, possédait en réalité une limite interne. 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�<"但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X " 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 , Il s'agit d'une question de temps.»« 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. »
Il est important de noter que l'équipe a développé une méthode permettant de produire des monocristaux sans limites. Des tests effectués sur 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, sans perte de performance significative sur 100 cycles de test. En revanche, les cathodes NMC composées de monocristaux multi-interfaces ou de polycristaux revêtus ont montré une baisse de capacité de 60 % à 88 % sur la même durée de vie.
Des 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 limite peut conduire à une 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 du dégagement d'oxygène réalisées avec l'APS et une source lumineuse avancée au Laboratoire national Lawrence-Berkeley du Département de l'Énergie des États-Unis confirment cette conclusion.
« Nous disposons désormais de lignes directrices que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux de cathode qui n'ont pas de limites et fonctionnent à haute pression », a déclaré Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. » »« Les directives devraient s’appliquer aux matériaux de cathode 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 de l'Énergie des États-Unis, est la principale institution utilisatrice nationale pour la recherche interdisciplinaire à l'échelle nanométrique soutenue par le Bureau des sciences du Département de l'Énergie des États-Unis. Ensemble, les NSRC forment un ensemble d'installations complémentaires qui offrent aux chercheurs des capacités de pointe pour la fabrication, le traitement, la caractérisation et la modélisation de matériaux à l'échelle nanométrique et représentent le plus important investissement en infrastructure dans le cadre de la National Nanotechnology Initiative. Le NSRC est situé dans les laboratoires nationaux du Département de l'Énergie des États-Unis 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​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​Glance.
La source de photons avancée (APS) du Département de l'Énergie des États-Unis, située au Laboratoire national d'Argonne, est l'une des sources de rayons X les plus productives au monde. L'APS fournit des rayons X de haute intensité à une communauté de recherche diversifiée en science des matériaux, chimie, physique de la matière condensée, sciences de la vie et de l'environnement, et recherche appliquée. Ces rayons X sont idéaux pour l'étude des matériaux et des structures biologiques, de la distribution des éléments, des états chimiques, magnétiques et électroniques, ainsi que de systèmes d'ingénierie techniquement importants de toutes sortes, des batteries aux injecteurs de carburant, essentiels à notre économie nationale, à notre technologie et à notre corps. La base de notre santé. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent l'APS pour publier plus de 2 000 publications détaillant des découvertes majeures et élucidant 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 de lumière. Cela comprend des périphériques 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 du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis exploité par le Laboratoire national d'Argonne pour le Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis sous le numéro de contrat DE-AC02-06CH11357.
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