Selon des médias étrangers, un groupe de chercheurs du Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) du département américain de l’Énergie (DOE) a déterminé de nouveaux détails sur le mécanisme de réaction interne des batteries à anode métallique au lithium. , Une étape importante pour des batteries de véhicules électriques moins chères.

Chercheurs en batteries au Brookhaven National Laboratory (Source de l’image : Brookhaven National Laboratory)

Remise à neuf de l’anode au lithium

Des téléphones intelligents aux véhicules électriques, nous pouvons voir la tradition. Bien que les batteries au lithium aient permis à de nombreuses technologies d’être largement utilisées, elles sont toujours confrontées à des défis pour fournir de l’énergie à longue distance aux véhicules électriques.

Battery500, une alliance dirigée par des chercheurs universitaires financés par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du département américain de l’Énergie et le département américain de l’Énergie, vise à créer une cellule de batterie avec une densité énergétique de 500Wh/kg. En d’autres termes, c’est deux fois la densité énergétique des batteries les plus avancées d’aujourd’hui. À cette fin, l’alliance se concentre sur les batteries constituées d’anodes métalliques au lithium.

Les batteries au lithium métal utilisent du lithium métal comme anode. En revanche, la plupart des batteries au lithium utilisent du graphite comme anode. “L’anode de lithium est l’un des facteurs clés pour atteindre l’objectif de densité énergétique Battery500”, ont déclaré les chercheurs. « L’avantage est que la densité énergétique est le double de celle des batteries existantes. Premièrement, la capacité spécifique de l’anode est très élevée ; Deuxièmement, vous pouvez avoir une batterie à tension plus élevée, et la combinaison des deux peut avoir une densité d’énergie plus élevée.

Les scientifiques ont depuis longtemps reconnu les avantages des anodes au lithium ; en effet, l’anode au lithium métal est la première anode couplée à la cathode de la batterie. Cependant, en raison du manque de « réversibilité » de l’anode, c’est-à-dire de la capacité de se charger par une réaction électrochimique réversible, les chercheurs sur les batteries ont fini par utiliser des anodes en graphite au lieu d’anodes en lithium métal pour fabriquer des batteries au lithium.

Aujourd’hui, après des décennies de progrès, les chercheurs sont confiants de réaliser une anode réversible au lithium métal pour repousser les limites des batteries au lithium. La clé est l’interface, la couche de matériau solide qui se forme sur les électrodes de la batterie lors de la réaction électrochimique.

“Si nous pouvons pleinement comprendre cette interface, elle peut fournir des orientations importantes pour la conception et la fabrication de matériaux d’anodes réversibles au lithium”, ont déclaré les chercheurs. “Mais comprendre cette interface est tout un défi car il s’agit d’une très fine couche de matériau, de seulement quelques nanomètres d’épaisseur, et elle est sensible à l’air et à l’humidité, donc la manipulation des échantillons est délicate.”

Cette interface est visualisée dans NSLS-II

Afin de résoudre ces problèmes et de « voir » la composition chimique et la structure de l’interface, les chercheurs ont utilisé la National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Science Office du Brookhaven National Laboratory, qui produit rayons X super brillants pour étudier les propriétés matérielles de l’interface à l’échelle atomique.

En plus d’utiliser les capacités avancées de nSLS-II, l’équipe doit également utiliser une ligne de faisceau (station expérimentale) capable de détecter tous les composants de l’interface et utiliser des rayons X à haute énergie (courte longueur d’onde) pour détecter et phases amorphes.

“L’équipe de chimie a adopté l’approche multimode XPD, en utilisant deux techniques différentes fournies par la ligne de lumière, la diffraction des rayons X (XRD) et l’analyse de la fonction de distribution (PDF)”, ont déclaré les chercheurs. « XRD peut étudier les phases cristallines et PDF peut étudier les phases amorphes. »

L’analyse XRD et PDF a révélé des résultats passionnants : l’hydrure de lithium (LiH) existe dans l’interface. Pendant des décennies, les scientifiques ont discuté de l’existence de LiH dans l’interface, créant une incertitude sur le mécanisme de réaction de base qui forme l’interface.

« Le LiH et le fluorure de lithium (LiF) ont des structures cristallines très similaires. Notre affirmation concernant la découverte de LiH a été remise en question par certaines personnes qui pensent que nous confondons LiF avec LiH », a déclaré le chercheur.

Compte tenu de la controverse impliquée dans l’étude et des défis techniques liés à la distinction entre LiH et LiF, l’équipe de recherche a décidé de fournir plusieurs preuves de l’existence de LiH, notamment en menant des expériences d’exposition à l’air.

« Les chercheurs ont déclaré : « Le LiF est stable dans l’air, mais le LiH est instable. Si nous exposons l’interface à de l’air humide, et si la quantité de composé diminue avec le temps, nous pouvons confirmer que nous voyons bien du LiH, pas du LiF, et c’est du LiF. En raison de la difficulté de distinguer LiH de LiF et que l’expérience d’exposition à l’air n’a jamais été réalisée auparavant, LiH est le plus susceptible d’être confondu avec LiF dans de nombreux rapports de la littérature, ou il n’est pas observé en raison de la décomposition de LiH dans un environnement humide. ”

Le chercheur a continué. « Le travail de préparation des échantillons effectué par le PNNL est essentiel à cette recherche. Nous soupçonnons que de nombreuses personnes ne parviennent pas à identifier LiH parce que leurs échantillons ont été exposés à un environnement humide avant l’expérience. Si vous n’avez pas collecté les échantillons correctement, scellez les échantillons et les échantillons d’expédition, vous risquez de manquer LiH. ”

En plus de confirmer l’existence de LiH, l’équipe a également résolu un autre mystère de longue date entourant LiF. LiF a longtemps été considéré comme un composant bénéfique de l’interface, mais personne n’en comprend pleinement la raison. L’équipe a déterminé les différences structurelles du LiF au sein de l’interface et la plupart des différences structurelles du LiF lui-même, et a découvert que le premier favorisait le transport des ions lithium entre l’anode et la cathode.

Les scientifiques des batteries du Brookhaven National Laboratory, d’autres laboratoires nationaux et des universités continuent de coopérer. Les chercheurs ont déclaré que ces résultats fourniront des conseils pratiques indispensables pour le développement d’anodes métalliques au lithium.