Utilisation de l'IRM pour observer directement la dissolution des ions métalliques dans les cathodes des batteries au lithium
De nombreux appareils qui rendent la vie moderne pratique et efficace reposent sur des batteries rechargeables. Les batteries lithium-ion, l'un des types les plus courants, sont peu coûteuses et fonctionnent à une tension élevée, ce qui les rend idéales pour de nombreux appareils électroniques et véhicules électriques. Cependant, elles présentent des problèmes récurrents de baisse de performance en cas d'utilisation répétée et l'on s'inquiète de plus en plus de la sécurité de l'utilisation de ces batteries au fur et à mesure qu'elles vieillissent
Illustration de l'utilisation de l'IRM pour observer la dissolution des ions métalliques
©Hellar et al.
L'une des causes de cette baisse de performance est la dissolution de l'ion métallique de la cathode dans l'électrolyte de la batterie. Cependant, il a été difficile d'étudier ce processus car les quantités dissoutes sont très faibles. Par conséquent, pour comprendre ce qui se passe dans la batterie au niveau de la cathode, les chercheurs doivent savoir où, quand et quelle quantité de dissolution se produit avant de pouvoir s'attaquer au problème.
Des chercheurs de l'université de Tohoku ont travaillé sur une méthode permettant de détecter et d'étudier la dissolution de l'ion métallique dans la cathode. Grâce à l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM), ils ont pu observer directement la dissolution en temps réel.
Les résultats de leur recherche ont été publiés dans Communications Materials le 13 février 2025.
Selon Nithya Hellar, chercheur à l'Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM) de l'université de Tohoku, "les résultats de la présente étude montrent que la dissolution d'une très petite quantité de manganèse (Mn) peut être détectée avec une grande sensibilité par IRM et visualisée en temps réel, ce qui peut grandement accélérer la vitesse de la recherche".
L'IRM est une technologie d'imagerie médicale qui utilise des champs magnétiques et des ondes radio pour produire des images. Pour améliorer la visibilité des zones d'intérêt sur une image IRM, on utilise des agents de contraste tels que le gadolinium. Le gadolinium est paramagnétique et peut modifier les propriétés magnétiques des zones ciblées, augmentant ainsi leur visibilité à l'IRM.
Le groupe de l'université de Tohoku a pu utiliser ce principe d'IRM car le Mn dissous de la cathode est paramagnétique. Plus précisément, ils ont étudié la dissolution du Mn2+ de la cathode LiMn2O4 de type spinelle, dans un électrolyte de batterie commercial LiPF6 EC:DMC. Si une dissolution se produit, elle se manifeste par une augmentation de l'intensité du signal dans les images IRM, et c'est exactement ce qu'ils ont observé. L'utilisation de l'IRM leur a permis d'observer directement la dissolution en temps réel.
Les chercheurs ont utilisé cette technique pour déterminer si un système d'électrolyte alternatif pouvait supprimer la dissolution. Grâce à l'IRM, ils ont pu observer la dissolution de l'ion métallique. S'il n'y a pas d'augmentation du signal, cela signifie que la dissolution n'a pas lieu. Ils ont testé le système électrolytique LiTFSI MCP mis au point par des chercheurs du centre de recherche sur les batteries MEET (Munster Electrochemical Energy Technology) de l'université de Munster, en Allemagne, dont ils pensaient qu'il supprimerait la dissolution de l'ion métallique. L'IRM n'a pas révélé d'augmentation significative de l'intensité du signal. Ils en ont conclu qu'il n'y avait pas de dissolution.
L'utilisation de cette méthode d'essai apporte aux chercheurs une aide précieuse pour "explorer la dissolution des ions métalliques dans n'importe quel système électrochimique dans différentes conditions électrochimiques, telles que le changement de la solution électrolytique, du sel, des électrodes et des additifs". Cette méthode d'identification peut aider à concevoir des matériaux pour batteries au lithium et à améliorer leurs performances", a déclaré Junichi Kawamura, professeur émérite à l'université de Tohoku.
Pour l'avenir, cette technique est extrêmement prometteuse car elle permettra aux chercheurs de mieux comprendre le fonctionnement des réactions à l'intérieur des piles et de tester d'autres technologies de piles. "Nous pensons que la méthode développée ici peut répondre à la question longtemps restée sans réponse de savoir quand, où et comment la dissolution des ions métalliques se produit dans l'électrode de la batterie lithium-ion et qu'elle peut être étendue à d'autres systèmes électrochimiques", a déclaré M. Hellar.
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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