La diffusion des neutrons a été utilisée pour étudier un sel gemme désordonné qui pourrait être utilisé pour fabriquer des anodes de batterie plus sûres et à charge plus rapide. Crédit : ORNL/Jill Hemman
L’un des principaux facteurs affectant l’adoption des véhicules électriques (VE) par les consommateurs est le temps nécessaire pour recharger les véhicules, généralement alimentés par des batteries lithium-ion. La recharge complète des véhicules électriques peut prendre jusqu’à quelques heures ou toute la nuit, selon la méthode de charge et la quantité de charge restante dans la batterie. Cela oblige les conducteurs à limiter les déplacements loin de leurs bornes de recharge à domicile ou à se localiser et à attendre aux bornes de recharge publiques lors de longs trajets.
Pourquoi faut-il autant de temps pour charger complètement une batterie, même celles utilisées pour alimenter des appareils plus petits, tels que des téléphones portables et des ordinateurs portables ? La raison principale est que les appareils et leurs chargeurs sont conçus pour que les batteries lithium-ion rechargeables ne se chargent qu’à des vitesses contrôlées plus lentes. Il s’agit d’une fonction de sécurité pour aider à prévenir les incendies, et même les explosions, dus à de minuscules structures rigides en forme d’arbre, appelées dendrites, qui peuvent se développer à l’intérieur d’une batterie au lithium pendant la charge rapide et provoquer des courts-circuits à l’intérieur de la batterie.
Pour répondre au besoin d’une batterie lithium-ion plus pratique, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego (UC San Diego) ont travaillé avec des scientifiques du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) pour mener des expériences de diffusion de neutrons sur un nouveau type de matériau qui pourrait être utilisé pour fabriquer des batteries plus sûres et à charge plus rapide. Les chercheurs ont produit des échantillons d’oxyde de lithium vanadium (Li3V2O5), un « sel gemme désordonné » similaire au sel de table mais avec un certain degré d’aléatoire dans l’arrangement de ses atomes. Les échantillons ont été placés dans un puissant faisceau de neutrons qui a permis d’observer l’activité des ions à l’intérieur du matériau après application d’une tension.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue La nature dans un article intitulé “Une anode de sel gemme désordonnée pour les batteries lithium-ion à charge rapide”.
« Les deux matériaux les plus couramment utilisés pour fabriquer les anodes des batteries lithium-ion sont le graphite, qui peut fournir une densité d’énergie élevée mais qui a provoqué des incendies dans certaines situations, et le titanate de lithium, qui peut se charger rapidement et est beaucoup moins susceptible de provoquer des incendies mais a une capacité de stockage d’énergie », a déclaré Haodong Liu, chercheur au laboratoire du professeur Ping Liu à l’UC San Diego et premier auteur de l’article. « Le matériau de sel gemme désordonné que nous avons développé combine les propriétés souhaitées des deux : il est plus sûr, se charge plus rapidement et a une densité énergétique plus élevée. »
Le matériau a démontré des qualités souhaitables pour de nombreuses applications de batterie, telles que les véhicules électriques et les outils électriques, y compris la vitesse à laquelle l’énergie peut être stockée et déchargée pour être utilisée.
Au cours des tests, le matériau de l’anode en sel gemme a pu fournir plus de 40 % de sa capacité énergétique en seulement 20 secondes. La charge et la décharge rapides semblent possibles car le sel gemme peut faire entrer et sortir deux ions lithium des sites vacants au sein de sa structure cristalline.
“L’utilisation des techniques de diffraction des neutrons à l’ORNL nous a permis de comprendre comment les ions se comportent lorsque nous appliquons une tension aux matériaux”, a déclaré Liu. “Les neutrons peuvent facilement suivre les ions lithium et les atomes d’oxygène à l’intérieur de l’anode de sel gemme, et l’utilisation de l’instrument VULCAN à la source de neutrons de spallation (SNS) de l’ORNL a fourni le flux de neutrons et la résolution élevés dont nous avions besoin.”
VULCAN est conçu pour les études neutroniques de la déformation, des changements de phase, des contraintes résiduelles, de la texture et des microstructures dans les matériaux d’ingénierie. Les bâtis de charge, les fours, les cycleurs de batterie et d’autres équipements auxiliaires pour les expériences in situ (où un matériau est étudié tel quel), et les mesures en régime permanent (continu) ou résolues dans le temps (une série d’« instantanés ») sont intégrées au instrument.
« VULCAN est le meilleur instrument de diffusion de neutrons au monde pour l’étude des matériaux d’ingénierie », a déclaré Ke An, un scientifique spécialiste de la diffusion de neutrons à l’ORNL. « Sa conception ouverte permet de tester de grands échantillons et même des dispositifs mécaniques fonctionnels, tels que des moteurs à combustion en marche, d’être testés et d’observer leurs propriétés internes. L’instrument a fourni des informations scientifiques essentielles pour la recherche sur le stockage d’énergie lors de la synthèse des matériaux de batterie ainsi que leurs comportements dans les batteries de travail.
Les chercheurs ont montré que l’anode de sel gemme peut être cyclée plus de 10 000 fois avec une décroissance de capacité négligeable. Une telle durabilité serait importante pour les applications grand public.
“Cette recherche fait partie d’une collaboration à long terme entre notre groupe de recherche et ORNL, qui a abouti à plus de 20 articles dans des revues à comité de lecture”, a déclaré Liu. « Le personnel de la Direction des sciences neutroniques de l’ORNL a travaillé en étroite collaboration avec moi et mes collègues pour nous aider à découvrir les capacités des neutrons, et ils nous ont appris à utiliser les instruments pour mener des expériences et interpréter les données. »
Les chercheurs ont également effectué des études microscopiques à haute résolution pour résoudre les changements structurels à l’Université de Californie à Irvine et au Brookhaven National Laboratory du DOE.
Une fois ces expériences et celles de l’ORNL terminées, des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne, ainsi que des scientifiques du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE, ont mené des études de diffraction et d’absorption des rayons X pour révéler le changement structurel du cristal et les mécanismes de compensation de charge de le matériau pendant le chargement et le déchargement.
Comme la plupart des utilisateurs, l’UC San Diego a conservé ses droits sur les données et toute propriété intellectuelle produite au cours des expériences. Afin de commercialiser leur découverte, l’université a ensuite travaillé avec ses chercheurs pour former une société appelée Tyfast, qui prévoit de cibler d’abord les marchés des bus électriques et des outils électriques.
Référence : « Une anode de sel gemme désordonnée pour les batteries lithium-ion à charge rapide » par Haodong Liu, Zhuoying Zhu, Qizhang Yan, Sicen Yu, Xin He, Yan Chen, Rui Zhang, Lu Ma, Tongchao Liu, Matthew Li, Ruoqian Lin , Yiming Chen, Yejing Li, Xing Xing, Yoonjung Choi, Lucy Gao, Helen Sung-yun Cho, Ke An, Jun Feng, Robert Kostecki, Khalil Amine, Tianpin Wu, Jun Lu, Huolin L. Xin, Shyue Ping Ong et Ping Liu, le 2 septembre 2020, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-020-2637-6
La recherche sur la diffusion des neutrons a été soutenue par le DOE Office of Science.
SNS est une installation utilisateur du DOE Office of Science. ORNL est géré par UT-Battelle LLC pour l’Office of Science du DOE, le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. Le Bureau des sciences du DOE s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.