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 puissante de microscopie électronique et l'exploration de données afin de repérer visuellement les zones d'altération chimique et physique dans les batteries ioniques.
L'étude dirigée 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, ce qui multiplie par 10 ou plus la résolution par rapport aux méthodes actuelles de radiographie et d'optique.
Les résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.
Selon l'équipe, les efforts précédents pour comprendre les mécanismes de fonctionnement et de défaillance des matériaux des batteries 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 recueillir des images du fonctionnement interne des batteries.
"Pendant le fonctionnement des batteries ioniques rechargeables, les ions diffusent à l'intérieur et à l'extérieur des électrodes, ce qui provoque des contraintes mécaniques et parfois des fissures", a déclaré le chercheur postdoctoral et premier auteur Wenxiang Chen. "Grâce à la nouvelle méthode de microscopie électronique, nous pouvons capturer pour la première fois les domaines nanométriques causés par les déformations à l'intérieur des matériaux des batteries."
Qian Chen a déclaré que ces types de transformations de l'hétérogénéité microstructurelle ont été largement étudiés dans les domaines de la céramique et de 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 les variations autrement inaccessibles de la cristallinité et des orientations des domaines à l'intérieur des matériaux", a déclaré Zuo.
L'équipe a comparé ses observations 4D-STEM à la modélisation informatique dirigée par Elif Ertekin, professeur de sciences et d'ingénierie mécaniques, pour repérer ces variations.
"L'exploration des données et les données 4D-STEM combinées montrent un modèle de processus de nucléation, de croissance et de coalescence à l'intérieur des batteries, à mesure que les domaines nanométriques déformés se développent", a déclaré Qian Chen. "Ces schémas ont été vérifiés plus en détail à l'aide des données de diffraction des rayons X recueillies par Daniel Shoemaker, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et coauteur de l'étude."
Qian Chen prévoit d'approfondir cette recherche en créant des films de ce processus - ce pour quoi son laboratoire est bien connu.
"L'impact de cette recherche peut aller au-delà du système de batterie ionique multivalent étudié ici", a déclaré Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux, directeur du laboratoire de recherche sur les matériaux et coauteur de l'étude. "Le concept, les principes et le cadre de caractérisation habilitant s'appliquent aux électrodes d'une variété de batteries Li-ion et post-Li-ion et d'autres systèmes électrochimiques, notamment les piles à combustible, les transistors synaptiques et l'électrochromie."
Imaginez une usine de recyclage typique. Imaginez maintenant que l'usine est un laboratoire de chimie, et que les canettes de soda écrasées et les piles de courrier indésirable à hauteur de la taille ont été remplacées par des structures microscopiques valant des dizaines de milliers de dol ... en savoir plus
Ces dernières années, le mot d'ordre en matière de métaux précieux est le palladium. Composant essentiel des convertisseurs catalytiques automobiles et de la technologie émergente des piles à combustible à hydrogène, la demande de ce métal de transition blanc argenté rare continue de dépass ... en savoir plus
