Un métal vitreux rare découvert lors de la recherche sur l’amélioration des performances des batteries

Les spécialistes des matériaux qui étudient les principes fondamentaux de la recharge ont fait une découverte étonnante qui pourrait ouvrir la porte à de meilleures batteries, à des catalyseurs plus rapides et à d’autres progrès de la science des matériaux. Des scientifiques de l’Idaho National Laboratory et de l’université de Californie à San Diego ont examiné les premières étapes de la recharge du lithium et ont appris qu’une charge lente et peu énergivore font que les électrodes collectent les atomes de manière désorganisée, ce qui améliore le comportement de charge. Ce lithium « vitreux » non cristallin n’avait jamais été observé, et la création de tels métaux amorphes a toujours été extrêmement difficile. Les résultats suggèrent des stratégies pour affiner les méthodes de recharge afin d’augmenter la durée de vie des batteries et, ce qui est plus intriguant, pour fabriquer des métaux vitreux pour d’autres applications. L’étude a été publiée en ligne cette semaine dans Nature Materials. Le lithium métal est l’anode préférée pour les batteries rechargeables à haute énergie. Pourtant, le processus de recharge (dépôt d’atomes de lithium sur la surface de l’anode) n’est pas bien compris au niveau atomique. La façon dont les atomes de lithium se déposent sur l’anode peut varier d’un cycle de recharge à l’autre, ce qui entraîne une recharge erratique et une réduction de la durée de vie des piles. L’équipe INL/UCSD s’est demandée si les modes de recharge étaient influencés par la première congrégation des premiers atomes, un processus connu sous le nom de nucléation. « Cette nucléation initiale peut affecter la performance, la sécurité et la fiabilité de votre batterie« , a déclaré Gorakh Pawar, un scientifique de l’INL et l’un des deux principaux auteurs de l’article. Les chercheurs ont combiné les images et les analyses d’un puissant microscope électronique avec le refroidissement à l’azote liquide et la modélisation informatique. La microscopie électronique à l’état cryogénique leur a permis de voir la création d' »embryons » de lithium métal, et les simulations informatiques ont aidé à expliquer ce qu’ils ont vu. En particulier, ils ont découvert que certaines conditions créaient une forme moins structurée de lithium, amorphe (comme le verre) plutôt que cristalline (comme le diamant). « Le pouvoir de l’imagerie cryogénique pour découvrir de nouveaux phénomènes dans la science des matériaux est mis en évidence dans ces travaux« , a déclaré Shirley Meng, qui a dirigé les travaux pionniers de cryo-microscopie de l’université de San Diego. L’imagerie et les données spectroscopiques sont souvent alambiquées, a-t-elle ajouté. « Un véritable travail d’équipe nous a permis d’interpréter les données expérimentales avec confiance car la modélisation informatique a aidé à déchiffrer la complexité« . Les métaux élémentaires amorphes purs n’avaient jamais été observés auparavant. Ils sont extrêmement difficiles à produire, de sorte que les mélanges de métaux (alliages) sont généralement nécessaires pour obtenir une configuration « vitreuse », qui confère de puissantes propriétés aux matériaux. Pendant la recharge, les embryons de lithium vitreux avaient plus de chances de rester amorphes tout au long de leur croissance. En étudiant les conditions qui favorisent la nucléation vitreuse, l’équipe a été surprise une fois de plus. « Nous pouvons fabriquer du métal amorphe dans des conditions très douces à un taux de charge très lent« , a déclaré Boryann Liaw, membre de la direction de l’INL et responsable des travaux à l’INL. « C’est assez surprenant« . Ce résultat était contre-intuitif car les experts ont supposé que des taux de dépôt lents permettraient aux atomes de se retrouver dans un lithium ordonné et cristallin. Pourtant, les travaux de modélisation ont expliqué comment la cinétique des réactions conduit à la formation du verre. L’équipe a confirmé ces résultats en créant des formes vitreuses de quatre autres métaux réactifs qui sont intéressants pour les applications de batteries. Les résultats de la recherche pourraient aider à atteindre les objectifs du consortium Battery500, une initiative du ministère de l’énergie qui a financé la recherche. Le consortium vise à développer des batteries de véhicules électriques commercialement viables ayant une énergie spécifique au niveau de la cellule de 500 Wh/kg. De plus, cette nouvelle compréhension pourrait conduire à des catalyseurs métalliques plus efficaces, à des revêtements métalliques plus résistants et à d’autres applications qui pourraient bénéficier des métaux vitreux.

INL est un laboratoire national du ministère américain de l'énergie (DOE) qui effectue des travaux dans chacun des domaines stratégiques du DOE : énergie, sécurité nationale, science et environnement. L'INL est le centre national de recherche et de développement en matière d'énergie nucléaire. La gestion et le fonctionnement quotidiens du laboratoire sont sous la responsabilité de la Battelle Energy Alliance.