Une technique novatrice permet enfin de voir les parties invisibles des piles
Une nouvelle méthode révèle les faiblesses critiques des électrodes de batteries
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Des chercheurs de l'Université d'Oxford ont mis au point une nouvelle méthode puissante pour visualiser un composant essentiel des électrodes des batteries lithium-ion qui était jusqu'à présent extrêmement difficile à repérer. Cette découverte, publiée dans Nature Communications, pourrait permettre d'accroître l'efficacité de la fabrication des électrodes de batterie et, en fin de compte, d'améliorer le taux de charge et la durée de vie des batteries Li-ion.
Couches nanoscopiques de carboxyméthylcellulose (CMC) et agglomérats de caoutchouc styrène-butadiène (SBR) sur des particules de graphite détectées par imagerie électronique rétrodiffusée sélective en énergie (EsB) dans une anode Li-ion fabriquée en laboratoire après bromation. La différence de stabilité entre le SBR bromé et le CMC bromé pendant l'imagerie électronique permet de distinguer les deux liants individuellement dans l'image EsB. L'image EsB a été colorée pour faciliter la distinction des différentes phases du liant.
Stanislaw Zankowski
L'étude s'est concentrée sur les liants polymères modernes utilisés dans les électrodes négatives (anodes) des batteries lithium-ion. Ces liants jouent un rôle essentiel dans la cohésion des électrodes des batteries et influent sur leur stabilité mécanique, leur conductivité électrique et ionique et leur durée de vie. Cependant, comme ils représentent moins de 5 % du poids de l'électrode et qu'ils n'ont pas de caractéristiques distinctes, leur distribution dans les anodes est pratiquement impossible à imager ou à contrôler. Cette situation a entravé les efforts visant à améliorer les performances des batteries, car l'emplacement des liants influe directement sur la conductivité, la stabilité et la durabilité à long terme des électrodes.
Pour remédier à cette situation, les chercheurs ont mis au point une nouvelle technique de coloration, en instance de brevet, qui utilise des marqueurs traçables d'argent et de brome pour marquer les liants commerciaux dérivés de la cellulose et du latex dans les anodes à base de graphite et de silicium. Ces marqueurs rendent les liants visibles en produisant des rayons X caractéristiques (mesurés par spectroscopie X à dispersion d'énergie) ou en réfléchissant des électrons à haute énergie provenant de la surface de l'échantillon (mesurés par imagerie électronique à rétrodiffusion sélective en énergie). Lorsqu'elles sont détectées à l'aide d'un microscope électronique, ces méthodes fournissent des informations précises sur la distribution des éléments et la topographie de la surface.
L'auteur principal, le Dr Stanislaw Zankowski (Département des matériaux, Université d'Oxford), a déclaré : "Cette technique de coloration ouvre une boîte à outils entièrement nouvelle pour comprendre le comportement des liants modernes pendant la fabrication des électrodes. Pour la première fois, nous pouvons observer avec précision la distribution de ces liants non seulement de manière générale (c'est-à-dire leur épaisseur dans l'électrode), mais aussi localement, sous forme de couches et d'amas de liants à l'échelle nanométrique, et établir une corrélation avec les performances de l'anode."
Il est important de noter que la méthode d'imagerie fonctionne non seulement sur les électrodes à base de graphite, mais aussi sur des matériaux plus avancés tels que le silicium ou le SiOx, ce qui la rend applicable à toutes les conceptions de batteries de la prochaine génération.
En utilisant cette méthode, l'équipe a découvert que de petites modifications dans la distribution des liants pouvaient avoir une incidence considérable sur l'efficacité de la charge d'une batterie et sur sa durée de vie. Par exemple, en ajustant les protocoles de mélange et de séchage des boues, les chercheurs ont réduit jusqu'à 40 % la résistance ionique interne des électrodes d'essai - un goulot d'étranglement essentiel pour la charge rapide.
L'étude a également permis de capturer des couches nanoscopiques insaisissables du liant carboxyméthylcellulose (CMC) qui recouvre les surfaces des particules de graphite. L'imagerie a permis une détection inégalée de couches de CMC de 10 nm d'épaisseur, résolvant des caractéristiques de quatre ordres de grandeur en une seule image. Cela a révélé comment les fines couches de CMC se fragmentent, à partir d'un revêtement initialement complet, en plaques brisées et inhomogènes au cours du traitement des électrodes, ce qui peut nuire aux performances et à la stabilité des batteries.
Le professeur Patrick Grant (département des matériaux, université d'Oxford), coauteur de l'étude, a déclaré : "Cet effort multidisciplinaire - couvrant la chimie, la microscopie électronique, les essais électrochimiques et la modélisation - a abouti à une approche d'imagerie innovante qui nous aidera à comprendre les processus de surface clés qui affectent la longévité et la performance des batteries. Cela permettra de réaliser des progrès dans un large éventail d'applications pour les batteries".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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