Comment déterminer la microstructure des métaux alcalins hautement réactifs dans les piles à l'état solide ?
Le contrôle de la microstructure est crucial pour les propriétés des batteries
Les anodes de lithium et de sodium jouent un rôle crucial dans le développement de batteries à l'état solide de haute performance. Afin d'influencer favorablement les propriétés électrochimiques de ces métaux alcalins hautement réactifs, il est essentiel de comprendre leur microstructure. Pour la première fois, une méthode mise au point à l'université Justus Liebig de Giessen (JLU), en collaboration avec une équipe de recherche internationale des États-Unis et du Canada, a permis d'élucider la microstructure des métaux alcalins déposés dans une batterie. L'élucidation de la microstructure du lithium ou du sodium ouvre la voie à des approches entièrement nouvelles pour influencer les propriétés de la batterie. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials.
La microstructure des métaux - c'est-à-dire leur structure interne à l'échelle de quelques nanomètres à plusieurs micromètres - peut être déterminante pour leurs propriétés électrochimiques. Pour la plupart des métaux utilisés technologiquement aujourd'hui, cette structure a été largement étudiée et, dans de nombreux cas, des propriétés spécifiques peuvent être obtenues grâce à un contrôle ciblé de la microstructure. Cependant, la situation est différente pour les métaux alcalins lithium et sodium utilisés dans les batteries. En effet, ces métaux sont chimiquement très réactifs. Leurs surfaces sont presque immédiatement recouvertes d'épaisses couches de réaction dans presque tous les environnements, ce qui rend impossible la détermination de leur microstructure. Des chercheurs en science des matériaux et en chimie de la JLU, de l'université de Californie à Santa Barbara (États-Unis) et de l'université de Waterloo (Canada) ont démontré, pour la première fois, une méthode permettant de déterminer la microstructure des métaux lithium et sodium déposés par voie électrochimique.
À cette fin, l'équipe de Giessen, dirigée par le professeur Jürgen Janek de l'Institut de chimie physique de la JLU, a mis au point une séquence d'étapes de préparation et d'analyse à très basse température et dans des conditions de gaz inerte, qui aboutissent à la détermination de la structure locale du métal à l'aide de la diffraction par rétrodiffusion d'électrons. Grâce à cette méthode, l'équipe a pu démontrer la structure des couches métalliques de lithium et de sodium produites par voie électrochimique, dont l'épaisseur peut atteindre 100 micromètres. "La taille des grains des couches produites nous a surpris, et les résultats fournissent des indications importantes sur le mécanisme de croissance", a déclaré M. Janek, qui est également membre du pôle d'excellence POLiS (Post Lithium Energy Storage). "Les découvertes sur le sodium métal donneront également une forte impulsion aux travaux de POLiS, dont la mission comprend l'exploration des batteries au sodium.
Le développement de batteries à l'état solide est associé à l'espoir de systèmes de stockage d'énergie électrochimique particulièrement puissants, sûrs et durables. L'utilisation d'électrolytes solides céramiques pourrait permettre l'application d'électrodes métalliques au lithium et au sodium dans des batteries à haute performance. Cependant, l'utilisation d'électrodes métalliques pose encore des problèmes, notamment en raison de la forte tendance des métaux à se déformer pendant le cycle électrochimique. Cela affecte à la fois les processus de charge et de décharge. Pendant la décharge de la batterie, des pores se forment dans le métal, tandis que pendant le dépôt de métal lors de l'étape de charge, des structures métalliques microscopiques, connues sous le nom de dendrites, se forment souvent, ce qui peut provoquer des courts-circuits. Dans le cadre de la recherche de batteries à l'état solide plus efficaces, capables de concurrencer les batteries lithium-ion conventionnelles, le lithium (ou le sodium) métal ne devrait idéalement se former que lors de la première étape de charge, afin d'éviter les difficultés de manipulation associées aux feuilles de métaux alcalins hautement réactifs.
Depuis une dizaine d'années, le développement des batteries à l'état solide fait l'objet d'efforts de recherche intensifs dans le monde entier, et l'équipe de Giessen, dirigée par le professeur Janek, fait partie des groupes de recherche les plus importants au monde. Le professeur Janek collabore avec succès depuis des années avec les équipes de Santa Barbara et de Waterloo, qui ont été largement impliquées dans cette étude. "L'imagerie de la microstructure du lithium et du sodium était considérée comme un véritable défi et n'avait que rarement été rapportée - et encore, uniquement à partir de simples surfaces de feuilles. Grâce à un travail préliminaire méticuleux, les deux auteurs principaux de notre étude ont réussi à couper des électrodes de lithium et de sodium, à les préparer en coupe transversale et à les imager à l'aide de la diffraction par rétrodiffusion d'électrons", résume M. Janek. "Ce succès n'a été possible que grâce à la collaboration constante de divers spécialistes de l'UJL et à l'excellent équipement du Centre de recherche sur les matériaux. La collaboration avec les collègues de Santa Barbara et de Waterloo a également été cruciale pour la sélection des matériaux.
Les chercheurs suivants, issus des domaines de la science des matériaux et de la chimie, ont participé à l'étude : Till Fuchs, Till Ortmann, Juri Becker, Maya Ziegler, Marcus Rohnke, Boris Mogwitz, Klaus Peppler et Jürgen Janek (tous de l'université), Catherine G. Haslam et Jeff Sakamoto (tous deux de l'université de Californie, Santa Barbara, États-Unis), Vipin Kumar Singh et Linda F. Nazar (tous deux de l'université de Waterloo, Canada).
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
Till Fuchs, Till Ortmann, Juri Becker, Catherine G. Haslam, Maya Ziegler, Vipin Kumar Singh, Marcus Rohnke, Boris Mogwitz, Klaus Peppler, Linda F. Nazar, Jeff Sakamoto, Jürgen Janek; "Imaging the microstructure of lithium and sodium metal in anode-free solid-state batteries using electron backscatter diffraction"; Nature Materials, 2024-9-23
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