Des centaines de batteries sont posées sur d’immenses étagères, clignotant en rouge et vert, et sont testées chaque jour dans le laboratoire de Feng Lin. Les lumières vertes et rouges signifient que les canaux de test fonctionnent. Crédit : Photo courtoisie Feng Lin
“Cette étude éclaire vraiment la façon dont nous pouvons concevoir et fabriquer des électrodes de batterie pour obtenir une longue durée de vie des batteries”, a déclaré Feng Lin, professeur associé en chimie à Virginia Tech.
Cela ne vous frappe pas tout de suite. Il faut parfois des semaines pour s’en rendre compte. Vous avez les piles AA au lithium-ion nouvellement rechargées dans la fontaine à eau sans fil pour chat, et elles durent deux jours. Auparavant, elles duraient une semaine ou plus. Après un autre cycle de charge, elles ne durent qu’un jour. Bientôt, plus rien.
Vous seriez pardonné si vous vous teniez là et remettiez en question vos propres actions. “Attendez, Est-ce que j’ai rechargé ça ?”
Relax, ce n’est pas toi. C’est la pile. Rien n’est éternel, pas même les piles rechargeables supposées durables, qu’il s’agisse de piles AA ou AAA achetées dans un magasin ou de piles dans nos téléphones portables, nos écouteurs sans fil ou nos voitures. Les piles se dégradent.
Feng Lin, professeur agrégé au département de chimie, qui fait partie du Virginia Tech College of Science, participe à une nouvelle étude internationale, multi-agences/universités, publiée le 28 avril 2022, dans Science qui jette un nouveau regard sur les facteurs qui déterminent la durée de vie d’une batterie et sur la manière dont ces facteurs évoluent dans le temps dans des conditions de charge rapide. L’étude révèle qu’au début, la dégradation de la batterie semble déterminée par les propriétés des particules d’électrodes individuelles, mais après plusieurs douzaines de cycles de charge, c’est la façon dont ces particules se comportent qui change. sont assemblées qui importe le plus.
Le professeur associé Feng Lin du département de chimie de Virginia Tech tient une cellule de batterie de poche dans son laboratoire de test de batterie à Davidson Hall. Crédit : Photo pour Virginia Tech par Steven Mackay
“Cette étude nous éclaire vraiment sur la façon dont nous pouvons concevoir et fabriquer des électrodes de batterie afin d’obtenir une longue durée de vie pour les batteries “, a déclaré Lin. Son laboratoire travaille actuellement à la reconception d’électrodes de batteries dans le but de fabriquer des architectures d’électrodes offrant des capacités de charge rapide et une durée de vie plus longue pour une fraction du coût actuel, tout en respectant l’environnement.
“Lorsque l’architecture des électrodes permettra à chaque particule individuelle de répondre rapidement aux signaux électriques, nous disposerons d’une bonne boîte à outils pour charger rapidement les batteries. Nous sommes impatients de mettre en œuvre cette compréhension pour la prochaine génération de batteries à chargement rapide et à faible coût”, a déclaré Lin.
L’étude, dont Lin est l’un des auteurs principaux, est réalisée en collaboration avec le SLAC National Accelerator Laboratory du ministère américain de l’énergie, l’université de Purdue et l’European Synchrotron Radiation Facility. Les chercheurs postdoctoraux du laboratoire Lin, Zhengrui Xu et Dong Hou, également co-auteurs de l’article, ont dirigé la fabrication de l’électrode, la fabrication de la batterie et les mesures des performances de la batterie. Ils ont également participé aux expériences sur les rayons X et à l’analyse des données.
Au premier plan, Callum Connor, un étudiant de premier cycle du département de science des matériaux et d’ingénierie de Virginia Tech, travaille avec des produits chimiques très sensibles utilisés dans la création de batteries lithium-ion. Son travail nécessite le port de gants, puis de longs bras caoutchoutés à l’intérieur d’un poste de travail étanche rempli d’argon. À l’intérieur de la cuve, une troisième paire de gants est nécessaire. À côté de Connor se trouve Zhengrui Xu, chercheur postdoctoral au département de chimie, qui est également co-auteur de l’article. Crédit : Photo pour Virginia Tech par Natalee Waters
“Les blocs de construction fondamentaux sont ces particules qui constituent l’électrode de la batterie, mais lorsque vous faites un zoom arrière, ces particules interagissent les unes avec les autres”, a déclaré Yijin Liu, scientifique au SLAC, chercheur au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) et auteur principal de l’article. Par conséquent, “si vous voulez construire une meilleure batterie, vous devez examiner comment assembler les particules”.
Dans le cadre de l’étude, Lin, Liu et d’autres collègues ont utilisé des techniques de vision par ordinateur pour étudier comment les particules individuelles qui composent l’électrode d’une batterie rechargeable se désagrègent avec le temps. Cette fois, l’objectif était d’étudier non seulement les particules individuelles, mais aussi la façon dont elles fonctionnent ensemble pour prolonger – ou dégrader – la durée de vie de la batterie. L’objectif final naturel est de trouver de nouvelles façons de prolonger un peu plus la durée de vie des batteries.
Dans le cadre de ses recherches, l’équipe a étudié les cathodes des batteries aux rayons X. Elle a utilisé la tomographie à rayons X pour reconstruire les cathodes des batteries. Ils ont utilisé la tomographie à rayons X pour reconstruire en 3Ddes images des cathodes de batteries après qu’elles aient subi différents cycles de charge. Ils ont ensuite découpé ces images 3D en une série de tranches 2D et ont utilisé des méthodes de vision par ordinateur pour identifier les particules. Outre Lin et Liu, l’étude comprenait Jizhou Li, un boursier postdoctoral du SSRL, Keije Zhao, un professeur de génie mécanique de Purdue, et Nikhil Sharma, un étudiant diplômé de Purdue.
Les chercheurs ont finalement identifié plus de 2 000 particules individuelles, pour lesquelles ils ont calculé non seulement les caractéristiques individuelles des particules telles que la taille, la forme et la rugosité de surface, mais aussi des traits tels que la fréquence des contacts directs entre les particules et la variété des formes des particules.
Ensuite, ils ont examiné comment chacune de ces propriétés contribuait à la dégradation des particules, et un modèle frappant est apparu. Après 10 cycles de charge, les facteurs les plus importants étaient les propriétés des particules individuelles, notamment la sphéricité des particules et le rapport entre le volume et la surface des particules. Cependant, après 50 cycles, ce sont les attributs des paires et des groupes – tels que la distance entre deux particules, la diversité de leurs formes et le fait que les particules plus allongées, en forme de ballon de football, soient orientées de manière similaire – qui ont provoqué la rupture des particules.
“Ce n’est plus seulement la particule elle-même. Ce sont les interactions particule-particule qui comptent”, a déclaré M. Liu. “C’est important car cela signifie que les fabricants pourraient développer des techniques pour contrôler ces propriétés. Par exemple, ils pourraient être en mesure d’utiliser des champs magnétiques ou électriques pour aligner les particules allongées les unes avec les autres, ce qui, selon les nouveaux résultats, permettrait d’augmenter la durée de vie des piles.”
Membre de l’Institut d’innovation en macromolécules de Virginia Tech et membre affilié de la faculté du Département de science et d’ingénierie des matériaux, qui fait partie du Collège d’ingénierie de Virginia Tech, Lin a ajouté : “Nous avons beaucoup étudié la manière de faire fonctionner efficacement les batteries des véhicules électriques dans des conditions de charge rapide et de basse température.
“Au-delà de la conception de nouveaux matériaux qui peuvent réduire le coût des batteries en utilisant des matières premières moins chères et plus abondantes, notre laboratoire s’est également efforcé de comprendre le comportement des batteries loin de l’équilibre”, a déclaré Lin. “Nous avons commencé à étudier les matériaux des batteries et leur réaction à ces conditions difficiles.”
Zhao, le professeur de Purdue et coauteur principal, a comparé le problème de dégradation à des personnes travaillant en groupe. “Les particules de batterie sont comme les gens – nous commençons tous à suivre notre propre chemin”, a déclaré Zhao. “Mais finalement, nous rencontrons d’autres personnes et nous nous retrouvons en groupe, allant dans la même direction. Pour comprendre le rendement maximal, nous devons étudier à la fois le comportement individuel des particules et la façon dont ces particules se comportent en groupe.”
Référence : “Dynamique du réseau de particules dans les cathodes de batteries composites” par Jizhou Li, Nikhil Sharma, Zhisen Jiang, Yang Yang, Federico Monaco, Zhengrui Xu, Dong Hou, Daniel Ratner, Piero Pianetta, Peter Cloetens, Feng Lin, Kejie Zhao et Yijin Liu, 28 avril 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abm8962
Cette recherche a été financée par le ministère de l’Énergie des États-Unis, le programme de recherche et de développement du SLAC National Accelerator Laboratory et la National Science Foundation. Le SSRL est une installation d’utilisateur de l’Office of Science du Département de l’énergie.
Cet article utilise du contenu provenant de Nathan Collins, responsable des communications scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory.
