Méthode utilisée pour étudier les mécanismes de défaillance des matériaux de batteries de tailles allant de 1 à 1000 particules. HEXRD = diffraction des rayons X à haute énergie ; MCRC = courbe de bascule multicristalline ; SDXM = microscopie à rayons X à diffraction par balayage. En bas à droite : changement de forme du réseau avec la charge et la décharge. Crédit : Laboratoire National d'Argonne.
La première génération de batteries lithium-ion pour véhicules électriques a connu un succès remarquable. Pourtant, la question se pose : quels changements dans les matériaux des batteries stimuleront de nouveaux progrès pour étendre l’autonomie et réduire les coûts ?
Une meilleure électrode positive, ou cathode, pour les batteries lithium-ion a fait l’objet d’intenses recherches antérieures. La cathode est l’un des principaux composants des batteries. Plusieurs candidats pour les matériaux cathodiques offrent la perspective de batteries avec un stockage d’énergie beaucoup plus élevé, conduisant à une autonomie plus longue. Cependant, la capacité, ou la quantité de courant circulant dans un laps de temps donné, a tendance à diminuer rapidement avec les cycles de charge-décharge pour des raisons inconnues.
Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) ont découvert la principale raison pour laquelle et comment l'un des matériaux cathodiques les plus prometteurs se dégrade avec l'usage. Ce matériau est un oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC) riche en nickel et sous forme de cristaux uniques de taille nanométrique. Dans les monocristaux, tous les atomes sont disposés selon le même motif hautement ordonné.
« Le NMC riche en nickel est particulièrement attrayant car il utilise 70 à 80 % de nickel, un matériau à haute capacité, et nécessite beaucoup moins de cobalt », a déclaré Liu. Le cobalt est cher et considéré comme un minéral essentiel en raison de problèmes d’approvisionnement.
Généralement, la cathode NMC riche en nickel est constituée de particules de multiples formes cristallines, ou polycristaux, orientées de manière aléatoire les unes par rapport aux autres. Cependant, avec les cycles de charge-décharge, ces amas se fissurent aux limites des cristaux et la capacité de la cathode diminue rapidement.
On avait émis l'hypothèse que la fabrication de la cathode avec des monocristaux au lieu de polycristaux résoudrait le problème de fissuration, dans la mesure où les limites seraient éliminées. Cependant, même les cathodes monocristallines sont tombées en panne prématurément, laissant les scientifiques perplexes.
Pour découvrir le mécanisme, l’équipe a mis au point une méthode pionnière combinant la diffraction des rayons X multi-échelle et la microscopie électronique à haute résolution. Ces analyses de matériaux ont été effectuées à l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, à la National Synchrotron Light Source du Brookhaven National Laboratory du DOE et au Center for Nanoscale Materials (CNM) d'Argonne. Tous les trois sont des installations utilisateur du DOE Office of Science.
“Le problème avec la microscopie électronique seule est qu'elle ne fournit qu'un instantané d'une petite zone sur un monocristal”, a déclaré Tao Zhou, scientifique en matériaux au CNM. “Et bien que la diffraction des rayons X offre un aperçu des structures internes de nombreuses particules, elle manque d'informations au niveau de la surface. Notre méthode comble cette lacune en offrant une compréhension globale à l'échelle d'une, 10 à 50 et 1 000 particules.”
Les atomes des monocristaux sont disposés en rangées et colonnes bien ordonnées appelées réseaux. Les analyses multiformes des cathodes monocristallines réalisées par l'équipe ont fourni des informations cruciales sur les modifications du réseau en matière de charge et de décharge.
Comme l'expliquent Liu et Zhou, l'introduction d'une charge déclenche une contrainte sur le réseau qui le fait se dilater et tourner, perturbant ainsi le modèle bien ordonné des atomes. Lors de la décharge, le réseau se contracte pour retrouver son état d'origine, mais la rotation demeure. Avec des cycles de charge-décharge répétés, la rotation devient plus prononcée. Ce changement dans la structure de la cathode entraîne une forte baisse des performances.
Les mesures effectuées avec la nanosonde à rayons X durs exploitée conjointement par le CNM et l'APS ont été essentielles pour obtenir ces informations.
“La nouvelle méthode de l'équipe a joué un rôle déterminant dans la compréhension de la question brûlante de savoir pourquoi les cathodes NMC riches en nickel avec des monocristaux échouent si rapidement”, a déclaré Khalil Amine, membre émérite d'Argonne. “Cette nouvelle compréhension nous donnera des munitions pour résoudre ce problème et permettre des véhicules électriques moins coûteux avec une autonomie plus longue.”
“Notre méthode devrait également être utile pour comprendre les mécanismes de défaillance d'autres types de batteries que le lithium-ion actuel”, a ajouté Liu.
Cette recherche est parue dans Science. Outre Liu, Zhou et Amine, les auteurs incluent Weiyuan Huang, Lei Yu, Jing Wang, Junxiang Liu, Tianyi Li, Rachid Amine, Xianghui Xiao, Mingyuan Ge, Lu Ma, Steven N. Ehrlich, Martin V. Holt et Jianguo Wen. .
Plus d'information:
Weiyuan Huang et al, La rotation irrécupérable du réseau régit la dégradation structurelle des cathodes monocristallines, Science (2024). DOI : 10.1126/science.ado1675
Fourni par le Laboratoire National d'Argonne
Citation: Révéler le mystère derrière la baisse des performances d'un matériau cathodique prometteur – implications pour les batteries EV (2024, 17 juin) récupéré le 17 juin 2024 sur
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