De nouvelles recherches du Laboratoire national d’Argonne et de l’UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) ont résolu un mystère majeur concernant les batteries, responsable de la dégradation de leur capacité, de la réduction de leur durée de vie et, dans certains cas, d’incendies.
Les chercheurs ont découvert certaines causes profondes – et des moyens de les atténuer – des contraintes nanoscopiques qui peuvent conduire à la fissuration d’une forme de batterie de plus en plus populaire pour les véhicules électriques et d’autres technologies.
« L’électrification de la société nécessite la contribution de tous », a déclaré l’un des auteurs correspondants Khalil Amine, Distinguished Fellow d’Argonne et professeur associé à l’UChicago, « si les gens ne font pas confiance aux batteries pour être sûres et durables, ils ne choisiront pas de les utiliser. »
En raison des problèmes de fissuration de longue date dans les batteries lithium-ion qui utilisent des matériaux polycristallins riches en nickel (PC-NMC) dans leurs cathodes, les chercheurs se sont tournés ces dernières années vers les oxydes stratifiés monocristallins riches en nickel (SC-NMC). Mais ils n’ont pas toujours montré des performances similaires ou supérieures à l’ancien modèle.
La nouvelle recherche, menée par la première auteure Jing Wang pendant sa période de doctorat à l’UChicago PME via le programme GRC, conjointement supervisée par le Laboratoire pour le stockage et la conversion de l’énergie du Pr. Shirley Meng et l’équipe de technologie avancée des batteries d’Amine, a révélé le problème sous-jacent : les hypothèses tirées des cathodes polycristallines étaient incorrectement appliquées aux matériaux monocristallins.
Grâce au programme GRC et au Réseau de Transition Énergétique de l’UChicago, Wang a pu travailler en étroite collaboration avec des scientifiques des laboratoires nationaux et des partenaires industriels pour faire avancer des projets d’ingénierie qui changent le monde.
« Lorsque les gens essaient de passer aux cathodes monocristallines, ils ont suivi des principes de conception similaires à ceux des polycristaux », a expliqué Wang, aujourd’hui chercheuse postdoctorale travaillant avec UChicago et Argonne. « Notre travail identifie que le principal mécanisme de dégradation des particules monocristallines est différent de celui des polycristaux, ce qui conduit à des exigences de composition différentes. »
L’étude a non seulement remis en question la conception conventionnelle, mais aussi les matériaux utilisés, redéfinissant les rôles du cobalt et du manganèse dans la défaillance mécanique des batteries.
« Non seulement de nouvelles stratégies de conception sont nécessaires, mais différents matériaux seront également requis pour aider les batteries à cathode monocristalline à atteindre leur plein potentiel », a affirmé Meng, qui est également la directrice de l’Alliance de Recherche sur le Stockage de l’Énergie (ESRA) basée à Argonne. « En comprenant mieux comment différents types de matériaux de cathode se dégradent, nous pouvons contribuer à concevoir une gamme de matériaux de cathode à haute performance pour les besoins énergétiques mondiaux. »
Un mystère de fissuration
Lorsqu’une batterie à cathode polycristalline se charge et se décharge, les minuscules particules primaires empilées gonflent et rétrécissent. Cette expansion et contraction répétées peuvent élargir les joints de grains qui séparent les polycristaux, un peu comme les cycles répétés de gel et de dégel créent des nids-de-poule dans les rues des villes.
« Typiquement, elle subit une expansion ou un rétrécissement d’environ cinq à dix pour cent en volume », a précisé Wang. « Une fois qu’une expansion ou un rétrécissement dépasse les limites élastiques, cela conduit à la fissuration de la particule. »
Si les fissures s’élargissent trop, l’électrolyte peut y pénétrer, ce qui peut entraîner des réactions secondaires indésirables et un dégagement d’oxygène pouvant soulever des préoccupations de sécurité, y compris le risque d’emballement thermique. Mais, en dehors de ces circonstances dramatiques, un effet plus quotidien est la dégradation de la capacité – les batteries s’affaiblissent avec le temps, devenant de moins en moins capables de délivrer la même charge que lorsqu’elles étaient neuves.
Puisqu’elles ne sont pas constituées de nombreux cristaux empilés, les matériaux de cathode monocristallins n’ont pas ces joints de grains initiaux. Mais ils se dégradaient tout de même.
La nouvelle recherche UChicago PME-Argonne a montré que le changement de matériaux n’était pas aussi simple que de remplacer une pièce.
« Nous démontrons que la dégradation dans les cathodes NMC monocristallines est principalement régie par un mode de défaillance mécanique distinct », a indiqué un autre auteur correspondant, Tongchao Liu, chimiste à Argonne. « En identifiant ce mécanisme précédemment sous-estimé, ce travail établit un lien direct entre la composition des matériaux et les voies de dégradation, fournissant un aperçu plus profond des origines de la baisse de performance dans ces matériaux. »
En utilisant des techniques de rayons X synchrotron multi-échelles et un microscope électronique à transmission à haute résolution, ils ont découvert que la fissuration dans les cathodes monocristallines est principalement causée par une hétérogénéité de réaction. Les particules subissaient des réactions à des rythmes différents, provoquant une contrainte non pas entre de nombreux cristaux comme dans les conceptions polycristallines, mais au sein d’un seul.
Des solutions différentes
Les cathodes polycristallines sont un équilibre entre le nickel, le manganèse et le cobalt. Le cobalt provoque en réalité la fissuration, mais était nécessaire pour atténuer un problème distinct appelé désordre Li/Ni.
En construisant et en testant une batterie nickel-cobalt (sans manganèse) et une batterie nickel-manganèse (sans cobalt), l’équipe a découvert que, pour les cathodes monocristallines, c’était l’inverse. Le manganèse était plus néfaste mécaniquement que le cobalt et le cobalt aidait en réalité les batteries à durer plus longtemps.
Le cobalt, cependant, est plus cher que le nickel ou le manganèse. Wang a déclaré que la prochaine étape de l’équipe pour transformer cette innovation de laboratoire en un produit réel est de trouver des matériaux moins chers qui reproduisent les bons résultats du cobalt.
« Les avancées se font par cycles », a conclu Amine. « Vous résolvez un problème, puis passez au suivant. Les perspectives décrites dans cet article collaboratif aideront les futurs chercheurs d’Argonne, d’UChicago PME et d’ailleurs à créer des matériaux plus sûrs et plus durables pour les batteries de demain. »
Article : Nanoscopic strain evolution in single-crystal battery positive electrodes – Journal : Nature Nanotechnology – DOI : Lien vers l’étude
Source : Chicago U.
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