Les chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) sont à l'origine de nombreuses découvertes pionnières dans le domaine des batteries lithium-ion. Nombre de leurs travaux portent sur la cathode de ces batteries, appelée NMC (oxyde de nickel-manganèse-cobalt). Une batterie dotée de cette cathode alimente aujourd'hui la Chevrolet Bolt.
Des chercheurs d'Argonne ont réalisé une nouvelle avancée majeure dans le domaine des cathodes NMC. La nouvelle structure nanométrique des particules de cathode mise au point par l'équipe pourrait rendre la batterie plus durable et plus sûre, capable de fonctionner à des tensions très élevées et d'offrir une plus grande autonomie.
« Nous disposons désormais de directives que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux de cathode haute pression et sans bordure », a déclaré Khalil Amin, chercheur émérite à Argonne.
« Les cathodes NMC actuelles constituent un obstacle majeur pour les applications haute tension », a déclaré Guiliang Xu, chimiste adjoint. Lors des 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 spécialisés dans les batteries s'efforcent de trouver des solutions pour réparer ces fissures.
Une méthode utilisée par le passé employait 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, susceptibles d'entraîner la fissuration de la batterie lors d'un cycle de charge/décharge. Pour éviter ce problème, Xu et ses collègues d'Argonne avaient précédemment mis au point un revêtement polymère protecteur autour de chaque particule. Ce revêtement entoure les grosses particules sphériques ainsi que les particules plus petites qu'elles contiennent.
Une autre façon d'éviter ce type de fissuration consiste à utiliser des particules monocristallines. L'observation de ces particules au microscope électronique a révélé l'absence de joints de grains.
L'équipe a rencontré un problème : les cathodes composées de polycristaux et de monocristaux revêtus se fissuraient encore lors des cycles de charge/décharge. Elle a donc mené une analyse approfondie de ces matériaux de cathode à l'Advanced Photon Source (APS) et au Center for Nanomaterials (CNM) du centre scientifique d'Argonne 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, d'après les microscopies électronique et aux rayons X, présentait en réalité une interface. 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 de diffraction des rayons X synchrotron et d'autres techniques à l'APS, nous avons découvert que les limites étaient cachées à l'intérieur. »
L'équipe a notamment mis au point une méthode de production de monocristaux sans interfaces. Les tests réalisés sur de petites cellules équipées de cette cathode monocristalline, sous très haute tension, ont démontré une augmentation de 25 % de la capacité de stockage d'énergie par unité de volume, sans perte de performance notable sur plus de 100 cycles. À l'inverse, les cathodes NMC, composées de monocristaux à interfaces multiples ou de polycristaux revêtus, ont présenté une chute 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 de la cathode. Selon Maria Chang, nanoscientifique au CNM, les interfaces sont plus susceptibles de perdre des atomes d'oxygène lors de la charge de la batterie que les zones plus éloignées. Cette perte d'oxygène entraîne une dégradation du cycle de la cellule.
« Nos calculs montrent comment cette limite peut entraîner la libération d'oxygène à haute pression, ce qui peut réduire les performances », a déclaré Chan.
L'élimination de la barrière empêche le dégagement d'oxygène, améliorant ainsi la sécurité et la stabilité cyclique de la cathode. Des mesures de dégagement d'oxygène réalisées avec un spectromètre à particules électromagnétique (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 sans limites et fonctionnant à haute pression », a déclaré Khalil Amin, chercheur émérite à Argonne. » »« Ces lignes directrices 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 des nanomatériaux d'Argonne : Le Centre des nanomatériaux, l'un des cinq centres de recherche en nanotechnologie du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), est le principal établissement national d'utilisateurs pour la recherche interdisciplinaire à l'échelle nanométrique, soutenu par le Bureau des sciences du DOE. Ensemble, les Centres de recherche en nanotechnologie (NSRC) forment un ensemble d'installations complémentaires offrant aux chercheurs des capacités de pointe pour la fabrication, le traitement, la caractérisation et la modélisation des matériaux nanométriques. Ils représentent le plus important investissement en infrastructure dans le cadre de l'Initiative nationale pour les nanotechnologies. Le NSRC est situé dans les laboratoires nationaux du DOE à Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia et Los Alamos. Pour plus d'informations sur le NSRC du DOE, consultez le site : https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-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, notamment 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 étudier les matériaux et les structures biologiques, la distribution des éléments, les états chimiques, magnétiques et électroniques, ainsi que les systèmes d'ingénierie de pointe, des batteries aux injecteurs de carburant, essentiels à notre économie, à nos technologies et à notre organisme, fondements de la santé. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent l'APS pour publier plus de 2 000 articles détaillant des découvertes importantes et résolvant des structures protéiques biologiques plus complexes que tout autre centre de recherche en rayons X. Les scientifiques et ingénieurs de l'APS mettent en œuvre des technologies innovantes qui contribuent à améliorer les performances des accélérateurs et des sources de lumière. Cela inclut des dispositifs d'entrée qui produisent des rayons X extrêmement brillants, très prisés des chercheurs, des lentilles qui focalisent les rayons X à quelques nanomètres, des instruments qui optimisent l'interaction des rayons X avec l'échantillon étudié, ainsi que la collecte et la gestion des découvertes de l'APS. La recherche génère d'énormes volumes de données.
Cette étude a utilisé les ressources de l'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 compte du Bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis sous le numéro de contrat DE-AC02-06CH11357.
Le Laboratoire national d'Argonne s'efforce de résoudre les problèmes les plus urgents de la science et de la technologie aux États-Unis. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d'Argonne collaborent étroitement avec des chercheurs de centaines d'entreprises, d'universités et d'agences fédérales, étatiques et municipales afin de les aider à résoudre des problèmes spécifiques, à renforcer le leadership scientifique américain et à préparer le pays à un avenir meilleur. Argonne emploie du personnel originaire de plus de 60 pays et est géré par UChicago Argonne, LLC, une filiale du Bureau des sciences du Département de l'Énergie des États-Unis.
Le Bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis est le principal organisme de financement de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis, œuvrant à résoudre certains des problèmes les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, consultez le site https://energy.gov/science.