Des technologies de stockage d’énergie propres et efficaces sont essentielles à la mise en place d’une infrastructure d’énergies renouvelables.Les batteries lithium-ion dominent déjà les appareils électroniques personnels et constituent des candidats prometteurs pour un stockage fiable au niveau du réseau et pour les véhicules électriques.Cependant, des développements supplémentaires sont nécessaires pour améliorer leurs taux de recharge et leur durée de vie utile.
Pour faciliter le développement de batteries à charge plus rapide et à durée de vie plus longue, les scientifiques doivent être capables de comprendre les processus qui se produisent à l'intérieur d'une batterie en fonctionnement, afin d'identifier les limites de ses performances.Actuellement, la visualisation des matériaux actifs des batteries pendant leur fonctionnement nécessite des techniques sophistiquées de microscopie électronique ou à rayons X synchrotron, qui peuvent être difficiles et coûteuses, et qui ne permettent souvent pas d'imager assez rapidement pour capturer les changements rapides se produisant dans les matériaux d'électrodes à charge rapide.En conséquence, la dynamique des ions sur l’échelle de longueur des particules actives individuelles et à des taux de charge rapide commercialement pertinents reste largement inexplorée.
Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont surmonté ce problème en développant une technique de microscopie optique en laboratoire à faible coût pour étudier les batteries lithium-ion.Ils ont examiné des particules individuelles de Nb14W3O44, qui fait partie des matériaux d'anode à chargement le plus rapide à ce jour.La lumière visible est envoyée dans la batterie à travers une petite fenêtre en verre, permettant aux chercheurs d’observer le processus dynamique au sein des particules actives, en temps réel, dans des conditions réalistes de non-équilibre.Cela a révélé des gradients de concentration de lithium en forme de front se déplaçant à travers les particules actives individuelles, entraînant une contrainte interne qui a provoqué la fracture de certaines particules.La fracture des particules est un problème pour les batteries, car elle peut conduire à une déconnexion électrique des fragments, réduisant ainsi la capacité de stockage de la batterie."De tels événements spontanés ont de graves implications pour la batterie, mais n'ont jamais pu être observés en temps réel auparavant", explique le co-auteur, le Dr Christoph Schnedermann, du laboratoire Cavendish de Cambridge.
Les capacités à haut débit de la technique de microscopie optique ont permis aux chercheurs d’analyser une large population de particules, révélant que la fissuration des particules est plus fréquente avec des taux de délithiation plus élevés et dans les particules plus longues."Ces résultats fournissent des principes de conception directement applicables pour réduire la fracture des particules et la perte de capacité dans cette classe de matériaux", explique la première auteure, Alice Merryweather, doctorante au laboratoire Cavendish et au département de chimie de Cambridge.
À l’avenir, les principaux avantages de la méthodologie, notamment l’acquisition rapide de données, la résolution de particules uniques et les capacités de débit élevé, permettront d’explorer plus en profondeur ce qui se passe lorsque les batteries tombent en panne et comment l’éviter.La technique peut être appliquée à l’étude de presque tous les types de matériaux de batterie, ce qui en fait une pièce importante du puzzle dans le développement de batteries de nouvelle génération.
Heure de publication : 17 septembre 2022