Goulot d'étranglement identifié : des chercheurs découvrent la cause des longs temps de charge des batteries à semi-conducteurs
Batteries solides au lithium-soufre : Les neutrons révèlent la lenteur du transport de la charge
Les batteries au lithium-soufre à l'état solide offrent la possibilité d'obtenir des densités d'énergie beaucoup plus élevées et une sécurité accrue par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles. Toutefois, les performances des batteries à l'état solide laissent actuellement à désirer, la lenteur de la charge et de la décharge en étant l'une des principales causes. Une nouvelle étude de HZB montre que la lenteur du transport des ions lithium à l'intérieur d'une cathode composite est à l'origine de cette lenteur de charge et de décharge.
Images tomographiques 3D de l'état déchargé (en haut) et de l'état rechargé (au milieu), ainsi que de la différence entre les deux (en bas), montrant où se trouvent les ions lithium mobiles (en vert).
© HZB
Les scientifiques ont conçu une cellule spéciale afin d'observer le transport des ions lithium entre l'anode et la cathode dans une batterie au lithium-soufre à l'état solide. Robert Bradbury et Ingo Manke ont examiné l'échantillon de cellule à l'aide de neutrons, qui sont extrêmement sensibles au lithium. En collaboration avec le Dr Nikolay Kardjilov, HZB, ils ont utilisé des méthodes de radiographie et de tomographie neutroniques sur l'instrument CONRAD2 à la source de neutrons berlinoise BER II. Des groupes de Giessen (JLU), Braunschweig (TUBS) et Jülich (FZJ) ont également participé aux travaux.
Les ions lithium observés directement
"Nous avons désormais une bien meilleure idée de ce qui limite les performances de la batterie", explique M. Bradbury : "Les données de radiographie neutronique operando montrent qu'un front de réaction d'ions lithium se propage à travers la cathode composite, confirmant l'influence négative d'une faible conductivité ionique effective." En outre, les images de tomographie neutronique 3D montrent que le lithium piégé se concentre près du collecteur de courant pendant la recharge. "Cela entraîne une diminution de la capacité, car seule une partie du lithium est transportée vers l'arrière lorsque la batterie est rechargée."
La distribution du lithium observée correspondait parfaitement à un modèle basé sur la théorie des électrodes poreuses : "Ce que nous observons ici dans les données d'imagerie neutronique correspond bien aux conditions de conductivité électronique et ionique du modèle", déclare Bradbury.
Un goulot d'étranglement identifié
Ces résultats dévoilent un goulot d'étranglement précédemment négligé dans le développement des piles à l'état solide, en montrant qu'il existe des limitations dans les composites cathodiques en raison de la lenteur du transport ionique. Le défi consiste désormais à accélérer le transport des ions dans le composite de la cathode. "Sans la visualisation directe du front de réaction à l'intérieur du composite cathodique, cet effet aurait pu passer inaperçu, malgré son importance pour le développement des piles à l'état solide", explique M. Bradbury.
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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