Fissuration en Li

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Les chercheurs du monde entier sont à la recherche de nouvelles technologies en matière de batteries, visant principalement à augmenter la densité énergétique et à réduire les temps de charge. Dans le cadre d'une avancée significative, une étude menée par une équipe de scientifiques de l'Université du Michigan a révélé que les fissures dans l'électrode positive des batteries lithium-ion peuvent contribuer à réduire le temps de charge de la batterie.

La perception des fissures, généralement connues pour raccourcir la durée de vie des batteries, a été résolue grâce à une technique inspirée des neurosciences. Cela contredit les convictions de nombreux constructeurs de voitures électriques, qui estiment que les fissures réduisent la longévité des batteries.

"De nombreuses entreprises souhaitent fabriquer des batteries" d'un million de kilomètres "en utilisant des particules qui ne se fissurent pas. Malheureusement, si les fissures sont éliminées, les particules de la batterie ne pourront pas se charger rapidement sans la surface supplémentaire due à ces fissures", a déclaré Yiyang Li, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux, dans un communiqué de l'université.

L'étude a été publiée dans la revue Energy and Environmental Sciences.

Les chercheurs estiment que leur étude s’appliquera à plus de la moitié de toutes les batteries de voitures électriques dans lesquelles l’électrode positive (ou cathode) est constituée de milliards de minuscules particules formées soit d’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt, soit d’oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium.

"Théoriquement, la vitesse à laquelle la cathode se charge dépend du rapport surface/volume des particules. Les particules plus petites devraient se charger plus rapidement que les particules plus grosses car elles ont une surface plus élevée par rapport au volume, de sorte que les ions lithium ont des distances plus courtes pour les atteindre. diffuser à travers eux. »

Cependant, les techniques traditionnelles ne pouvaient pas détecter directement les caractéristiques de charge des particules cathodiques individuelles, mais seulement la moyenne de toutes les particules qui composent la cathode de la batterie. En raison de cette contrainte, le lien communément admis entre la vitesse de charge et la taille des particules cathodiques n’était qu’une hypothèse.

"Nous constatons que les particules cathodiques sont fissurées et ont des surfaces plus actives pour absorber les ions lithium, non seulement sur leur surface extérieure, mais à l'intérieur des fissures des particules. Les scientifiques des batteries savent que la fissuration se produit, mais n'ont pas mesuré dans quelle mesure la fissuration affecte la charge. vitesse", a déclaré Jinhong Min, doctorant dans le département de science et d'ingénierie des matériaux impliqué dans le projet.

La mesure de la vitesse de charge des particules cathodiques individuelles était essentielle pour déterminer l’avantage du craquage des cathodes, ce que l’équipe a réalisé en introduisant les particules dans un dispositif que les neuroscientifiques utilisent régulièrement pour analyser la manière dont les cellules cérébrales individuelles communiquent des impulsions électriques.

L’équipe a conçu des réseaux, qui sont des dispositifs de 2 centimètres sur 2 comportant jusqu’à 100 microélectrodes. Une aiguille 70 fois plus fine qu'un cheveu humain a été utilisée pour déplacer des particules uniques sur leurs électrodes sur le réseau après avoir dispersé plusieurs particules cathodiques au centre de l'appareil. Ils pouvaient charger et décharger jusqu'à quatre particules individuelles à la fois sur le réseau une fois les particules en place, et cette enquête spécifique a surveillé 21 particules.

L’expérience a révélé que les taux de charge des particules cathodiques étaient indépendants de leur taille. L’explication la plus plausible de ce comportement surprenant est que les particules les plus grosses se comportent comme un amas de particules plus petites lorsqu’elles se brisent. Une autre théorie est que les ions lithium se déplacent très rapidement dans les joints de grains, qui sont les crevasses microscopiques entre les cristaux nanométriques qui constituent la particule cathodique. Li pense que cela est improbable à moins que l'électrolyte de la batterie – le milieu liquide dans lequel les ions lithium se déplacent – ​​ne pénètre ces limites et ne forme des fissures.

Selon l'équipe, les avantages des matériaux fissurés doivent être pris en compte lors de la construction de batteries longue durée avec des particules monocristallines qui ne se brisent pas. Ces particules devront peut-être être plus petites que les particules cathodiques dommageables d’aujourd’hui pour se charger rapidement. "L'alternative consiste à fabriquer des cathodes monocristallines avec différents matériaux capables de déplacer le lithium plus rapidement, mais ces matériaux pourraient être limités par l'approvisionnement en métaux nécessaires ou avoir des densités d'énergie plus faibles", a déclaré Li.