Des chercheurs du monde entier ont pour mission de lever un goulot d’étranglement dans la révolution de l’énergie propre : les batteries. Des véhicules électriques au stockage d’énergie renouvelable à l’échelle du réseau, les batteries sont au cœur des innovations vertes les plus cruciales de la société – mais elles doivent contenir plus d’énergie pour rendre ces technologies répandues et pratiques.
Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par des chimistes du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) et du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) a dévoilé les mécanismes chimiques complexes d’un composant de batterie qui est crucial pour augmenter la densité d’énergie : l’interphase. Leurs travaux publiés aujourd’hui dans Nanotechnologie de la nature.
Le consortium Battery500 du DOE se concentre sur les anodes au lithium métal
De nombreux appareils électroniques, y compris les smartphones et même les véhicules électriques, reposent actuellement sur des batteries lithium-ion conventionnelles. Alors que les batteries lithium-ion sont devenues courantes en raison de leur rendement élevé et de leur longue durée de vie, ces batteries sont confrontées à des défis dans des applications plus exigeantes, telles que l’alimentation de véhicules électriques sur de longues distances.
Pour construire une meilleure batterie pour les véhicules électriques, des chercheurs de plusieurs laboratoires nationaux et universités parrainées par le DOE ont formé un consortium appelé Battery500. Dirigé par PNNL, le consortium vise à fabriquer des cellules de batterie avec une densité d’énergie de 500 wattheures par kilogramme, soit plus du double de la densité d’énergie des batteries de pointe actuelles. Pour ce faire, l’équipe se concentre sur les batteries au lithium métal. Alors que les batteries lithium-ion reposent sur des anodes en graphite, ces batteries utilisent des anodes au lithium métal.
Les anodes au lithium métal fournissent une densité d’énergie beaucoup plus élevée que les anodes en graphite, mais il existe des compromis. L’un des plus grands défis auxquels les scientifiques sont actuellement confrontés est de trouver un moyen de stabiliser l’anode lorsque la batterie se charge et se décharge.
À la recherche d’une telle méthode, des scientifiques de Brookhaven Lab et du PNNL ont mené une étude approfondie sur l’interphase à électrolyte solide des batteries au lithium métal. L’interphase est une couche chimique formée entre l’anode et l’électrolyte lorsqu’une batterie se charge et se décharge. Les scientifiques ont appris que l’interphase est la clé de la stabilisation des batteries au lithium métal, mais il s’agit d’un échantillon très sensible avec une chimie alambiquée, ce qui le rend difficile à étudier et, par conséquent, difficile à comprendre pleinement.
« L’interphase influence la cyclabilité de l’ensemble de la batterie. C’est un système très important, mais insaisissable », a déclaré le chimiste de Brookhaven, Enyuan Hu, qui a dirigé l’étude. « De nombreuses techniques peuvent endommager ce petit échantillon sensible, qui possède également des phases cristallines et amorphes. »
La communauté scientifique a mené de nombreuses études utilisant une Crumpa de techniques expérimentales, y compris la cryo-microscopie électronique, pour mieux comprendre l’interphase, mais le tableau est encore loin d’être clair et complet.
« Une compréhension complète de l’interphase fournit la base pour construire une interphase efficace », a déclaré Xia Cao, scientifique du PNNL, qui a co-dirigé l’étude et dirigé le développement de l’électrolyte. « Le consortium Battery500 encourage fortement les collaborations. Nous collaborons étroitement avec Brookhaven Lab sur de nombreux projets scientifiques, en particulier pour comprendre l’interphase. »
Pour approfondir la chimie complexe et insaisissable de l’interphase, l’équipe s’est tournée vers un outil unique en son genre appelé National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).
NSLS-II met en lumière la chimie des interphases
NSLS-II est une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE à Brookhaven Lab qui génère des rayons X ultra-brillants pour étudier la composition à l’échelle atomique des matériaux. Hu et ses collègues exploitent depuis de nombreuses années les capacités avancées de la ligne de lumière X-ray Powder Diffraction (XPD) du NSLS-II pour faire de nouvelles découvertes dans la chimie des batteries. S’appuyant sur ses succès précédents, l’équipe est retournée à XPD pour recueillir ses conclusions les plus précises sur l’interphase à ce jour.
« Nous avons déjà découvert que les rayons X synchrotron à haute énergie n’endommagent pas l’échantillon d’interphase », a déclaré Hu. « Ceci est très important car l’un des plus grands défis dans la caractérisation de l’interphase est que les échantillons sont très sensibles à d’autres types de rayonnement, y compris les rayons X à faible énergie. Ainsi, dans ce travail, nous avons profité de deux techniques qui utilisent une énergie élevée. rayons X, diffraction des rayons X et analyse de la fonction de distribution de paires, pour capturer les chimies des phases cristallines et amorphes dans l’interphase de l’anode au lithium métallique.
Après avoir cyclé une batterie au lithium métal 50 fois et récolté suffisamment d’échantillon d’interphase, l’équipe a démonté la cellule, gratté une trace de poudre d’interphase de la surface du lithium métal et dirigé les rayons X à haute énergie de XPD sur l’échantillon pour révéler son chimie alambiquée.
« XPD est l’une des rares lignes de lumière au monde capable de mener à bien cette recherche », a déclaré Sanjit Ghose, scientifique principal des lignes de lumière chez XPD et co-auteur de l’étude. « La ligne de lumière a fourni trois avantages pour ce travail : une petite section efficace d’absorption, qui endommage moins l’échantillon ; des techniques combinées, la diffraction des rayons X pour obtenir les informations de phase et la fonction de distribution de paires pour les informations sur l’espace réel ; et un faisceau de haute intensité pour délivrer des données de qualité à partir d’un échantillon de trace. »
Cette combinaison unique de techniques avancées de rayons X a fourni à l’équipe une carte chimique détaillée des composants de l’interphase – leurs origines, leurs fonctionnalités, leurs interactions et leurs évolutions.
« Nous nous sommes concentrés sur trois composants différents de l’interphase », a déclaré Sha Tan, postdoctorant à Brookhaven, premier auteur de l’article. « Le premier était l’hydrure de lithium et son mécanisme de formation. Nous avons précédemment découvert que l’hydrure de lithium existait dans l’interphase, et cette fois nous avons identifié la source d’hydrogène. »
Plus précisément, l’équipe a identifié que l’hydroxyde de lithium, qui peut être trouvé nativement dans l’anode de lithium métallique, est le contributeur probable à l’hydrure de lithium. Le contrôle de la composition de ce composé aidera les scientifiques à concevoir une interphase améliorée avec les meilleures performances possibles.
« Deuxièmement, nous avons étudié le fluorure de lithium, qui est très important pour les performances électrochimiques, et avons découvert qu’il peut être formé à grande échelle dans des électrolytes à faible concentration », a déclaré Tan.
Auparavant, les scientifiques pensaient que le fluorure de lithium ne pouvait être formé que dans des électrolytes utilisant des électrolytes à haute concentration, qui reposent sur des sels coûteux. Ainsi, les travaux fournissent la preuve que les électrolytes à faible concentration, qui sont plus rentables, peuvent potentiellement bien fonctionner dans ces systèmes de batterie.
« Troisièmement, nous avons examiné l’hydroxyde de lithium pour comprendre comment il est consommé pendant le cycle de la batterie. Ce sont toutes des découvertes très nouvelles et importantes pour comprendre l’interphase. »
Combinées, ces découvertes aident à mettre en lumière des composants de l’interphase jusqu’alors négligés et permettront une conception d’interphase plus précise et contrôlable pour les batteries au lithium métal.
À l’avenir, l’équipe continue de contribuer à des études supplémentaires au consortium Battery500. Battery500 est actuellement dans sa deuxième phase, qui se poursuivra jusqu’en 2026.
Ce travail a été soutenu par le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, le Bureau des technologies des véhicules et le Bureau des sciences du DOE. Les opérations à NSLS-II sont soutenues par l’Office of Science.
