Un microscope à rayons X unique ouvre la voie à des batteries plus puissantes
Nouvelles perspectives sur les changements morphologiques et chimiques dans les matériaux pour batteries
De nouveaux matériaux cathodiques sont en cours de développement afin d'augmenter encore la capacité des batteries au lithium. Les oxydes de métaux de transition riches en lithium (LRTMO) multicouches offrent une densité énergétique particulièrement élevée. Cependant, leur capacité diminue à chaque cycle de charge en raison de changements structurels et chimiques. En utilisant des méthodes aux rayons X à BESSY II, des équipes de plusieurs instituts de recherche chinois ont maintenant étudié ces changements pour la première fois avec la plus grande précision : grâce au microscope à rayons X unique, ils ont pu observer les développements morphologiques et structurels à l'échelle du nanomètre et également clarifier les changements chimiques.
Les batteries lithium-ion devraient devenir encore plus puissantes grâce à de nouveaux matériaux pour les cathodes. Par exemple, les cathodes à base de métaux de transition riches en lithium (LRTMO) pourraient augmenter la capacité de charge et être utilisées dans des batteries au lithium à haute performance. Toutefois, jusqu'à présent, on a observé que ces matériaux cathodiques "vieillissent" rapidement : le matériau cathodique se dégrade en raison du va-et-vient des ions lithium lors de la charge et de la décharge. Jusqu'à présent, on ne savait pas exactement quels changements spécifiques cela impliquait.
Des équipes d'instituts de recherche chinois ont donc demandé du temps de faisceau au seul microscope à rayons X en transmission (TXM) au monde sur une ligne de faisceaux d'onduleurs dans l'anneau de stockage BESSY II pour étudier leurs échantillons à l'aide de la tomographie 3D et de la nanospectroscopie. Les mesures du HZB-TXM ont été effectuées par le Dr Peter Guttmann, HZB, en 2019, avant la pandémie de coronavirus. L'analyse microscopique aux rayons X a ensuite été complétée par d'autres examens spectroscopiques et microscopiques. Après une évaluation minutieuse des nombreuses données, les résultats sont maintenant disponibles : ils fournissent des informations détaillées sur les changements dans la morphologie et la structure du matériau, mais aussi sur les processus chimiques au cours de la décharge.
La microscopie à transmission de rayons X mous nous permet de visualiser les états chimiques des particules de LRTMO en trois dimensions avec une résolution spatiale élevée et d'obtenir des informations sur les réactions chimiques pendant le cycle électrochimique", explique le Dr Stephan Werner, responsable de la supervision scientifique et de la poursuite du développement de l'instrument.
Les résultats donnent un aperçu des distorsions locales du réseau associées aux transitions de phase et à la formation de nanopores. Les états d'oxydation des différents éléments ont également pu être déterminés localement. La vitesse des processus de charge joue ici un rôle important : une charge lente favorise les transitions de phase et la perte d'oxygène, tandis qu'une charge rapide entraîne des distorsions du réseau et une diffusion inhomogène du lithium.
Ici, au TXM, nous disposons d'une capacité unique : nous pouvons offrir une tomographie par rayons X en transmission résolue en énergie", explique Werner. Cela nous permet d'obtenir une image en 3D avec des informations structurelles à chaque niveau d'énergie spécifique à un élément - l'énergie est ici la quatrième dimension.
Les résultats de cette étude fournissent des informations précieuses pour le développement de cathodes à haute performance qui restent stables à long terme et résistent au cyclage. Le TXM est parfaitement adapté pour fournir à l'avenir de nouvelles informations sur les changements morphologiques et chimiques dans les matériaux des batteries grâce à des études in-operando, c'est-à-dire pendant la charge et la décharge", déclare le professeur Gerd Schneider, qui a mis au point le TXM.
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
Zhimeng Liu, Yuqiang Zeng, Junyang Tan, Hailong Wang, Yudong Zhu, Xin Geng, Peter Guttmann, Xu Hou, Yang Yang, Yunkai Xu, Peter Cloetens, Dong Zhou, Yinping Wei, Jun Lu, Jie Li, Bilu Liu, Martin Winter, Robert Kostecki, Yuanjing Lin, Xin He; "Revealing the degradation pathways of layered Li-rich oxide cathodes"; Nature Nanotechnology, 2024-9-2
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