Les rayons X révèlent une chimie insaisissable pour de meilleures batteries de véhicules électriques
Des rayons X à haute énergie pour étudier l'interphase solide-électrolyte, une couche chimique dans les batteries qui est essentielle pour stabiliser les anodes de lithium métal.
Des chercheurs du monde entier se sont donné pour mission d'éliminer un goulot d'étranglement dans la révolution de l'énergie propre : les batteries. Des véhicules électriques au stockage de l'énergie renouvelable à l'échelle du réseau, les batteries sont au cœur des innovations vertes les plus cruciales pour la société, mais elles doivent contenir plus d'énergie pour que ces technologies soient répandues et pratiques.
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Aujourd'hui, une équipe de scientifiques dirigée par des chimistes du Brookhaven National Laboratory et du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère américain de l'énergie (DOE) a mis au jour les mécanismes chimiques complexes d'un composant de batterie essentiel pour accroître la densité énergétique : l'interphase. Leurs travaux ont été publiés dans Nature Nanotechnology.
Le consortium Battery500 du DOE se concentre sur les anodes en lithium métal
De nombreux appareils électroniques, dont les smartphones et même les véhicules électriques, reposent actuellement sur des batteries lithium-ion classiques. Si les batteries au lithium-ion sont devenues courantes en raison de leur rendement élevé et de leur longue durée de vie, ces batteries sont confrontées à des difficultés dans des applications plus exigeantes, comme l'alimentation des véhicules électriques sur de longues distances.
Afin de construire une meilleure batterie pour les véhicules électriques, des chercheurs de plusieurs laboratoires nationaux et d'universités parrainées par le DOE ont formé un consortium appelé Battery500. Dirigé par le PNNL, ce consortium a pour objectif de fabriquer des cellules de batterie ayant une densité énergétique de 500 wattheures par kilogramme, soit plus du double de la densité énergétique des batteries de pointe actuelles. Pour ce faire, l'équipe se concentre sur les batteries au lithium métal. Alors que les batteries lithium-ion reposent sur des anodes en graphite, ces batteries utilisent des anodes en lithium métal.
Les anodes en lithium métal offrent une densité énergétique beaucoup plus élevée que les anodes en graphite, mais il y a des compromis à faire. L'un des plus grands défis auxquels les scientifiques sont actuellement confrontés est de trouver un moyen de stabiliser l'anode lorsque la batterie se charge et se décharge.
À la recherche d'une telle méthode, les scientifiques du Brookhaven Lab et du PNNL ont mené une étude approfondie sur l'interphase solide-électrolyte des batteries au lithium métal. L'interphase est une couche chimique formée entre l'anode et l'électrolyte lors de la charge et de la décharge d'une batterie. Les scientifiques ont appris que l'interphase est la clé de la stabilisation des batteries au lithium métal, mais il s'agit d'un échantillon très sensible à la chimie alambiquée, ce qui le rend difficile à étudier et, par conséquent, à comprendre pleinement.
"L'interphase influence la cyclabilité de l'ensemble de la batterie. C'est un système très important, mais insaisissable", a déclaré Enyuan Hu, chimiste à Brookhaven, qui a dirigé l'étude. "De nombreuses techniques peuvent endommager ce petit échantillon sensible, qui présente également des phases cristallines et amorphes."
La communauté scientifique a mené de nombreuses études utilisant diverses techniques expérimentales, dont la cryo-microscopie électronique, pour mieux comprendre l'interphase - mais le tableau est encore loin d'être clair et complet.
"Une compréhension complète de l'interphase constitue la base de la construction d'une interphase efficace", a déclaré Xia Cao, scientifique du PNNL, qui a codirigé l'étude et dirigé le développement de l'électrolyte. "Le Consortium Battery500 encourage fortement les collaborations. Nous avons collaboré étroitement avec le Brookhaven Lab sur de nombreux projets scientifiques, notamment la compréhension de l'interphase."
Pour approfondir la chimie complexe et insaisissable de l'interphase, l'équipe s'est tournée vers un outil unique en son genre, la Source nationale de rayonnement synchrotron II (NSLS-II).
Le NSLS-II fait la lumière sur la chimie de l'interphase
Le NSLS-II est une installation du DOE Office of Science située au laboratoire de Brookhaven qui produit des rayons X ultraviolets pour étudier la composition des matériaux à l'échelle atomique. Depuis de nombreuses années, Hu et ses collègues exploitent les capacités avancées de la ligne de faisceaux de diffraction des poudres aux rayons X (XPD) du NSLS-II pour faire de nouvelles découvertes dans la chimie des batteries. Forte de ses succès précédents, l'équipe est retournée au XPD pour recueillir les résultats les plus précis qu'elle ait jamais obtenus sur l'interphase.
"Nous avons découvert précédemment que les rayons X synchrotron à haute énergie n'endommagent pas l'échantillon d'interphase", a déclaré Hu. "C'est très important car l'un des plus grands défis de la caractérisation de l'interphase est que les échantillons sont très sensibles à d'autres types de rayonnement, y compris les rayons X de faible énergie. Dans ce travail, nous avons donc tiré parti de deux techniques qui utilisent des rayons X à haute énergie, la diffraction des rayons X et l'analyse de la fonction de distribution des paires, pour saisir les propriétés chimiques des phases cristallines et amorphes de l'interphase de l'anode de lithium métal."
Après avoir cyclé une batterie au lithium métal 50 fois et récolté suffisamment d'échantillons d'interphase, l'équipe a démonté la cellule, gratté une quantité infime de poudre d'interphase à la surface du lithium métal et dirigé les rayons X à haute énergie vers l'échantillon pour révéler sa chimie alambiquée.
"XPD est l'une des rares lignes de faisceaux au monde capable de mener à bien cette recherche", a déclaré Sanjit Ghose, scientifique principal de la ligne de faisceaux XPD et co-auteur de l'étude. "La ligne de faisceau a fourni trois avantages pour ce travail : une petite section transversale d'absorption, qui endommage moins l'échantillon ; des techniques combinées, la diffraction des rayons X pour obtenir les informations sur la phase et la fonction de distribution de paires pour les informations sur l'espace réel ; et un faisceau de haute intensité pour fournir des données de qualité à partir d'un échantillon de traces."
Cette combinaison unique de techniques avancées de rayons X a fourni à l'équipe une carte chimique détaillée des composants de l'interphase - leurs origines, leurs fonctionnalités, leurs interactions et leurs évolutions.
"Nous nous sommes concentrés sur trois composants différents de l'interphase", explique Sha Tan, post-doc de Brookhaven et premier auteur de l'article. "Le premier était l'hydrure de lithium et son mécanisme de formation. Nous avions précédemment découvert que l'hydrure de lithium existait dans l'interphase, et cette fois nous avons identifié la source d'hydrogène."
Plus précisément, l'équipe a identifié que l'hydroxyde de lithium, que l'on trouve nativement dans l'anode de lithium métallique, est le contributeur probable à l'hydrure de lithium. Le contrôle de la composition de ce composé aidera les scientifiques à concevoir une interphase améliorée offrant les meilleures performances possibles.
"Deuxièmement, nous avons étudié le fluorure de lithium, qui est très important pour les performances électrochimiques, et nous avons découvert qu'il peut être formé à grande échelle dans des électrolytes à faible concentration", a déclaré Tan.
Auparavant, les scientifiques pensaient que le fluorure de lithium ne pouvait se former que dans des électrolytes à forte concentration, qui font appel à des sels coûteux. Ainsi, les travaux fournissent la preuve que les électrolytes à faible concentration, qui sont plus rentables, peuvent potentiellement donner de bons résultats dans ces systèmes de batterie.
"Troisièmement, nous avons étudié l'hydroxyde de lithium pour comprendre comment il est consommé pendant le cycle de la batterie. Ce sont toutes des découvertes très nouvelles et importantes pour comprendre l'interphase."
Combinés, ces résultats contribuent à mettre en lumière des composants de l'interphase jusqu'alors négligés et permettront une conception plus précise et contrôlable de l'interphase pour les batteries au lithium métal.
L'équipe continue de contribuer à des études supplémentaires au consortium Battery500. Battery500 est actuellement dans sa deuxième phase, qui se poursuivra jusqu'en 2026.
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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