La recherche examine les clés du développement de meilleures batteries
"Cette étude éclaire vraiment la façon dont nous pouvons concevoir et fabriquer des électrodes de batterie pour obtenir une longue durée de vie des batteries".
Ça n'arrive pas vite. Il faut parfois des semaines pour le remarquer. Vous avez les piles AA au lithium-ion nouvellement rechargées dans la fontaine d'eau sans fil pour chat, et elles durent deux jours. Elles duraient auparavant une semaine ou plus. Un autre cycle de charge, et elles durent un jour. Bientôt, plus rien.
Des centaines de batteries sont posées sur d'immenses racks, clignotant en rouge et vert, et sont testées chaque jour dans le laboratoire de Feng Lin. Les lumières vertes et rouges signifient que les canaux de test fonctionnent.
Photo courtesy Feng Lin
Vous seriez pardonné si vous vous teniez là et remettiez en question vos propres actions. "Attends, je les ai rechargées ?"
Relax, ce n'est pas vous. C'est la batterie. Rien n'est éternel, pas même les supposées piles rechargeables longue durée, qu'il s'agisse de piles AA ou AAA achetées en magasin ou de celles qui se trouvent dans nos téléphones portables, nos oreillettes sans fil ou nos voitures. Les piles se dégradent.
Feng Lin, professeur associé au département de chimie, qui fait partie du Virginia Tech College of Science, participe à une nouvelle étude internationale, multi-agences/universités, publiée aujourd'hui dans Science, qui jette un nouveau regard sur les facteurs qui déterminent la durée de vie d'une batterie et sur la manière dont ces facteurs évoluent au fil du temps dans des conditions de charge rapide. L'étude révèle qu'au début, la dégradation de la batterie semble déterminée par les propriétés des particules d'électrodes individuelles, mais après plusieurs dizaines de cycles de charge, c'est la façon dont ces particules sont assemblées qui importe le plus.
"Cette étude nous éclaire vraiment sur la façon dont nous pouvons concevoir et fabriquer des électrodes de batterie pour obtenir une longue durée de vie des batteries", a déclaré M. Lin. Son laboratoire s'efforce maintenant de redéfinir les électrodes des batteries dans le but de fabriquer des architectures d'électrodes qui offrent des capacités de charge rapide et une durée de vie plus longue pour une fraction du coût actuel, tout en étant respectueuses de l'environnement.
"Lorsque l'architecture des électrodes permettra à chaque particule de répondre rapidement aux signaux électriques, nous disposerons d'une bonne boîte à outils pour charger rapidement les batteries. Nous sommes impatients de mettre en œuvre cette compréhension pour la prochaine génération de batteries à chargement rapide et à faible coût", a déclaré M. Lin.
L'étude, dont Lin est l'un des auteurs principaux, est réalisée en collaboration avec le SLAC National Accelerator Laboratory du ministère américain de l'énergie, l'université de Purdue et l'European Synchrotron Radiation Facility. Les chercheurs postdoctoraux du laboratoire Lin, Zhengrui Xu et Dong Hou, également co-auteurs de l'article, ont dirigé la fabrication de l'électrode, la fabrication de la batterie et les mesures des performances de la batterie, et ont participé aux expériences aux rayons X et à l'analyse des données.
"Les blocs de construction fondamentaux sont les particules qui composent l'électrode de la batterie, mais lorsque vous faites un zoom arrière, ces particules interagissent les unes avec les autres", a déclaré Yijin Liu, scientifique au SLAC, chercheur au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) et auteur principal de l'article. Par conséquent, "si vous voulez construire une meilleure batterie, vous devez examiner comment assembler les particules".
Dans le cadre de cette étude, Lin, Liu et d'autres collègues ont utilisé des techniques de vision par ordinateur pour étudier comment les particules individuelles qui composent l'électrode d'une batterie rechargeable se désagrègent au fil du temps. Cette fois, l'objectif était d'étudier non seulement les particules individuelles, mais aussi la façon dont elles fonctionnent ensemble pour prolonger - ou dégrader - la durée de vie de la batterie. L'objectif final naturel est de trouver de nouvelles façons de prolonger un peu plus la durée de vie des piles.
Dans le cadre de ses recherches, l'équipe a étudié les cathodes des batteries à l'aide de rayons X. Elle a utilisé la tomographie à rayons X pour reconstituer la structure de la batterie. Elle a utilisé la tomographie à rayons X pour reconstruire des images en 3D des cathodes de batteries après qu'elles aient subi différents cycles de charge. Ils ont ensuite découpé ces images en 3D en une série de tranches en 2D et ont utilisé des méthodes de vision par ordinateur pour identifier les particules. Outre Lin et Liu, l'étude comprenait Jizhou Li, un boursier postdoctoral du SSRL, Keije Zhao, un professeur de génie mécanique de Purdue, et Nikhil Sharma, un étudiant diplômé de Purdue.
Les chercheurs ont finalement identifié plus de 2 000 particules individuelles, pour lesquelles ils ont calculé non seulement les caractéristiques individuelles des particules telles que la taille, la forme et la rugosité de surface, mais aussi des traits tels que la fréquence des contacts directs entre les particules et la variété des formes des particules.
Ils ont ensuite examiné comment chacune de ces propriétés contribuait à la dégradation des particules, et un schéma frappant est apparu. Après 10 cycles de charge, les principaux facteurs étaient les propriétés des particules individuelles, notamment la sphéricité des particules et le rapport entre le volume et la surface des particules. En revanche, après 50 cycles, ce sont les attributs des paires et des groupes - tels que la distance entre deux particules, la diversité de leurs formes et le fait que les particules plus allongées, en forme de ballon de football, soient orientées de manière similaire - qui ont provoqué la dégradation des particules.
"Ce n'est plus seulement la particule elle-même. Ce sont les interactions particule-particule qui comptent", a déclaré Liu. "C'est important car cela signifie que les fabricants pourraient développer des techniques pour contrôler ces propriétés. Par exemple, ils pourraient être en mesure d'utiliser des champs magnétiques ou électriques pour aligner les particules allongées les unes avec les autres, ce qui, selon les nouveaux résultats, permettrait d'augmenter la durée de vie des piles."
Lin a ajouté : "Nous avons beaucoup étudié les moyens de faire fonctionner efficacement les batteries des véhicules électriques dans des conditions de charge rapide et de basse température.
"Au-delà de la conception de nouveaux matériaux qui peuvent réduire le coût des batteries en utilisant des matières premières moins chères et plus abondantes, notre laboratoire s'est également attaché à comprendre le comportement des batteries loin de l'équilibre", a ajouté M. Lin. "Nous avons commencé à étudier les matériaux des batteries et leur réaction à ces conditions difficiles."
Zhao, le professeur de Purdue et coauteur principal, a comparé le problème de dégradation à des personnes travaillant en groupe. "Les particules de batterie sont comme des personnes - nous commençons tous à suivre notre propre chemin", a déclaré Zhao. "Mais finalement, nous rencontrons d'autres personnes et nous nous retrouvons en groupe, allant dans la même direction. Pour comprendre le rendement maximal, nous devons étudier à la fois le comportement individuel des particules et la façon dont ces particules se comportent en groupe."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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