Pour concevoir de meilleures batteries ioniques rechargeables, des ingénieurs et des chimistes de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign ont collaboré pour combiner une nouvelle technique de microscopie électronique puissante et l’exploration de données afin de repérer visuellement les zones d’altération chimique et physique dans les batteries ioniques.
Une étude menée par les professeurs de science et d’ingénierie des matériaux Qian Chen et Jian-Min Zuo est la première à cartographier les domaines altérés à l’intérieur des batteries ioniques rechargeables à l’échelle nanométrique – une résolution multipliée par 10 ou plus par rapport aux méthodes actuelles de rayons X et optiques .
Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux naturels.
L’équipe a déclaré que les efforts précédents pour comprendre les mécanismes de fonctionnement et de défaillance des matériaux de la batterie se sont principalement concentrés sur l’effet chimique des cycles de recharge, à savoir les changements dans la composition chimique des électrodes de la batterie.
Une nouvelle technique de microscopie électronique, appelée microscopie électronique à transmission à balayage quadridimensionnel, permet à l’équipe d’utiliser une sonde hautement focalisée pour collecter des images du fonctionnement interne des batteries.
« Pendant le fonctionnement des batteries ioniques rechargeables, les ions diffusent dans et hors des électrodes, provoquant des contraintes mécaniques et parfois des fissures », a déclaré le chercheur postdoctoral et premier auteur Wenxiang Chen. « En utilisant la nouvelle méthode de microscopie électronique, nous pouvons capturer pour la première fois les domaines nanométriques causés par les contraintes à l’intérieur des matériaux de batterie. »
Qian Chen a déclaré que ces types de transformations d’hétérogénéité microstructurale ont été largement étudiés dans la céramique et la métallurgie, mais n’ont pas été utilisés dans les matériaux de stockage d’énergie jusqu’à cette étude.
« La méthode 4D-STEM est essentielle pour cartographier des variations autrement inaccessibles de la cristallinité et des orientations de domaine à l’intérieur des matériaux », a déclaré Zuo.
L’équipe a comparé ses observations 4D-STEM à la modélisation informatique dirigée par le professeur de sciences mécaniques et d’ingénierie Elif Ertekin pour repérer ces variations.
« Les données combinées d’exploration de données et de 4D-STEM montrent un schéma de processus de nucléation, de croissance et de coalescence à l’intérieur des batteries à mesure que les domaines à l’échelle nanométrique se développent », a déclaré Qian Chen. « Ces modèles ont été vérifiés davantage à l’aide des données de diffraction des rayons X collectées par le professeur de science et d’ingénierie des matériaux et co-auteur de l’étude, Daniel Shoemaker. »
Qian Chen prévoit d’approfondir cette recherche en créant des films sur ce processus – quelque chose pour lequel son laboratoire est bien connu.
« L’impact de cette recherche peut aller au-delà du système de batterie à ions multivalents étudié ici », a déclaré Paul Braun, professeur de science et d’ingénierie des matériaux, directeur du Laboratoire de recherche sur les matériaux et co-auteur de l’étude. « Le concept, les principes et le cadre de caractérisation habilitante s’appliquent aux électrodes dans une Crumpa de batteries Li-ion et post-Li-ion et d’autres systèmes électrochimiques, y compris les piles à combustible, les transistors synaptiques et les électrochromes. »
les chercheurs de l’Illinois Andrew Gewirth, de chimie ; Hong Yang, du génie chimique et biomoléculaire ; et le chercheur de Shell, Ryan Stephens, a également participé à cette étude.
Source de l’histoire :
Matériel fourni par Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, Bureau de presse. Original écrit par Lois Yoksoulian. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
