L'imagerie aux rayons X capture des défauts fugaces dans les batteries sodium-ion
Une collaboration dirigée par Cornell a permis d'identifier un mécanisme insaisissable susceptible de déclencher la dégradation des batteries sodium-ion.
Les batteries sodium-ion ont été présentées comme une alternative durable aux batteries lithium-ion, car elles sont alimentées par une ressource naturelle plus abondante. Toutefois, les batteries sodium-ion se heurtent à un obstacle de taille : les cathodes se dégradent rapidement lors de la recharge.
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Une collaboration dirigée par l'université Cornell a réussi à identifier un mécanisme insaisissable qui peut déclencher cette dégradation - des défauts cristallins transitoires - en utilisant une forme unique d'imagerie aux rayons X qui a permis aux chercheurs de capturer les défauts fugaces pendant que la batterie était en fonctionnement.
L'article du groupe, intitulé "Operando Interaction and Transformation of Metastable Defects in Layered Oxides for Na-Ion Batteries", a été publié le 14 avril dans Advanced Energy Materials. L'auteur principal est le postdoctorant Oleg Gorobstov.
Andrej Singer, professeur adjoint et David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow au département de science et d'ingénierie des matériaux de Cornell Engineering, dirige le projet. Son groupe de recherche a étudié les phénomènes à l'échelle nanométrique dans les matériaux énergétiques et quantiques, souvent en utilisant des outils à rayons X operando avancés. Ces techniques sont particulièrement utiles pour explorer le comportement des défauts transitoires, qui n'apparaissent que brièvement pendant le transport ionique. Par conséquent, on ignore encore beaucoup de choses sur leur cycle de vie et leur impact.
En partenariat avec des chercheurs de l'université de Californie à San Diego, dirigés par le professeur Shirley Meng, et l'Advanced Photon Source du laboratoire national Argonne du ministère américain de l'énergie, l'équipe a utilisé l'imagerie diffractive cohérente de Bragg avec un faisceau de rayons X hautement synchronisé pour se concentrer sur les éléments constitutifs d'une batterie sodium-ion en charge, créant des instantanés 3D en temps réel qui ont révélé la morphologie et les déplacements atomiques au sein des cathodes NaxNi1-xMnyO2.
"Les mesures Operando sont indispensables dans ce cas", a déclaré M. Singer. "Si nous examinions la batterie avant et après le premier cycle de charge-décharge, nous ne verrions aucun défaut. Mais pendant l'opération, nous voyons comment les défauts se forment et se réparent d'eux-mêmes, laissant derrière eux des "cicatrices" détectables".
Pour expliquer ce qu'elle a observé, l'équipe s'est inspirée des métaux, dans lesquels les défauts tels que les dislocations permettent aux matériaux ductiles de se déformer sans se briser. En utilisant la modélisation métallurgique, les chercheurs ont suivi le mouvement des défauts transitoires - également connus sous le nom de métastables - et ont fait des prédictions qualitatives des contraintes qui les déplaçaient au fur et à mesure que le matériau se transformait et s'auto-cicatrisait.
"Les dislocations sont des défauts cristallins unidimensionnels. Leur présence dans les cathodes céramiques que nous étudions est surprenante, et les mécanismes de leur formation restent à comprendre. Nous avons découvert que les dislocations se forment à la limite d'un domaine antiphase qui se forme transitoirement", a déclaré M. Gorobtsov. "Cette configuration précédente est une nouvelle pièce du puzzle qui, nous l'espérons, nous aidera à mieux comprendre la dynamique des défauts dans cette classe importante de matériaux.
Les chercheurs s'intéressent maintenant à la manière dont les défauts interagissent avec les ions qui entrent et sortent, c'est-à-dire à la diffusion ionique, au fur et à mesure que la batterie fonctionne - un mécanisme fondamental pour l'acheminement de l'énergie. M. Singer a également noté que l'orientation des dislocations suggère que la forme des particules joue un rôle important dans le processus. Son équipe et ses collaborateurs prévoient donc d'étudier si cette morphologie peut être réglée de manière à faciliter ou à éliminer les dislocations.
"Nous n'avons pas encore compris le rôle des défauts étendus dans les matériaux des batteries", a déclaré M. Singer. "Pendant des siècles, les forgerons ont utilisé l'ingénierie des défauts dans les métaux pour créer des matériaux plus solides et plus durables sans même s'en rendre compte. L'application d'une approche d'ingénierie des défauts aux céramiques est beaucoup plus difficile en raison de la présence de charges électrostatiques. Néanmoins, grâce à de nouvelles mesures operando et à une meilleure compréhension des mécanismes impliqués, nous pouvons maintenant commencer à relever ce défi."
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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