Comment les piles à semi-conducteurs se dégradent-elles ?
Que se passe-t-il pendant l'opération ?
Les batteries à l'état solide présentent plusieurs avantages : elles peuvent stocker plus d'énergie et sont plus sûres que les batteries à électrolytes liquides. Cependant, elles ne durent pas aussi longtemps et leur capacité diminue à chaque cycle de charge. Mais ce n'est pas une fatalité : Les chercheurs sont déjà sur la piste des causes. Dans la revue ACS Energy Letters, une équipe du HZB et de la Justus-Liebig-Universität, Giessen, présente une nouvelle méthode pour surveiller avec précision les réactions électrochimiques pendant le fonctionnement d'une batterie à l'état solide à l'aide de la spectroscopie de photoélectrons à BESSY II. Les résultats permettent d'améliorer les matériaux et la conception des batteries.
Les batteries à l'état solide utilisent un conducteur ionique solide entre les électrodes de la batterie au lieu d'un électrolyte liquide, ce qui permet au lithium d'être transporté pendant la charge et la décharge. Cela présente des avantages, notamment une sécurité accrue pendant le fonctionnement et une capacité généralement plus élevée. Cependant, la durée de vie des batteries à l'état solide est encore très limitée. En effet, des produits de décomposition et des interphases se forment aux interfaces entre l'électrolyte et l'électrode, ce qui entrave le transport des ions lithium et entraîne une consommation de lithium actif, de sorte que la capacité des batteries diminue à chaque cycle de charge.
Que se passe-t-il pendant le fonctionnement ?
Elmar Kataev et Marcus Bär a développé une nouvelle approche pour analyser les réactions électrochimiques à l'interface entre l'électrolyte solide et l'électrode avec une haute résolution temporelle. Elmar Kataev explique la question de recherche : "Dans quelles conditions et à quelle tension ces réactions se produisent-elles, et comment la composition chimique de ces phases intermédiaires évolue-t-elle pendant le fonctionnement de la cellule ?
Examen du meilleur candidat, LiPSCl
Pour l'étude, ils ont analysé des échantillons de l'électrolyte solide Li6PS5Cl, un matériau considéré comme le meilleur candidat pour les batteries à l'état solide car il possède une conductivité ionique élevée. Ils ont travaillé en étroite collaboration avec l'équipe du professeur Jürgen Janek, expert en batteries, de l'université Justus Liebig de Giessen (JLU Giessen). Une couche extrêmement fine de nickel (30 couches atomiques ou 6 nanomètres) a servi d'électrode de travail. Un film de lithium a été pressé sur l'autre face de la pastille de Li6PS5Clpour servir de contre-électrode.
Spectroscopie de photoélectrons X durs HAXPES
Afin d'analyser les réactions interfaciales et la formation d'une couche intermédiaire (SEI) en temps réel et en fonction de la tension appliquée, Kataev a utilisé la méthode de spectroscopie photoélectronique à rayons X durs (HAXPES) en exploitant les capacités analytiques du laboratoire Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) à BESSY II : les rayons X frappent l'échantillon, excitant les atomes qui s'y trouvent et les produits de la réaction peuvent être identifiés à partir des photoélectrons émis en fonction de la tension appliquée à la cellule et du temps. Les résultats ont montré que les réactions de décomposition n'étaient que partiellement réversibles.
Perspectives : Examen de différents matériaux de piles
"Nous démontrons qu'il est possible d'utiliser un collecteur de courant ultrafin pour étudier les réactions électrochimiques aux interfaces enfouies à l'aide de méthodes de caractérisation de surface", déclare Kataev. L'équipe du HZB a déjà reçu des demandes de groupes de recherche en Allemagne et à l'étranger qui sont également intéressés par cette approche de caractérisation. Dans une prochaine étape, l'équipe du HZB souhaite étendre cette approche et étudier également les batteries avec des électrolytes polymères composites et une variété de matériaux d'anode et de cathode.
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.
Publication originale
Burak Aktekin, Elmar Kataev, Luise M. Riegger, Raul Garcia-Diez, Zora Chalkley, Juri Becker, Regan G. Wilks, Anja Henss, Marcus Bär, Jürgen Janek; "Operando Photoelectron Spectroscopy Analysis of Li6PS5Cl Electrochemical Decomposition Reactions in Solid-State Batteries"; ACS Energy Letters, 2024-6-27
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