Une nouvelle découverte pourrait contribuer à donner à la prochaine génération de batteries lithium-ion une densité énergétique plus élevée sans réduire la durée de vie des batteries

Une propriété inattendue des cristaux d'antimoine à l'échelle nanométrique - la formation spontanée de structures creuses - pourrait contribuer à donner à la prochaine génération de batteries lithium-ion une densité énergétique plus élevée sans réduire la durée de vie des batteries. Les structures creuses réversibles pourraient permettre aux batteries au lithium-ion de contenir plus d'énergie et donc de fournir plus de puissance entre les charges.

Le flux d'ions lithium entrant et sortant des anodes de batteries en alliage a longtemps été un facteur limitant la quantité d'énergie que les batteries pouvaient contenir en utilisant des matériaux conventionnels. Un flux d'ions trop important fait gonfler puis rétrécir les matériaux de l'anode pendant les cycles de charge et de décharge, provoquant une dégradation mécanique qui réduit la durée de vie de la batterie. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont déjà développé des nanoparticules creuses à "coquille jaune" qui s'adaptent au changement de volume causé par le flux d'ions, mais leur fabrication s'est avérée complexe et coûteuse.

Une équipe de recherche a maintenant découvert que des particules mille fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain forment spontanément des structures creuses pendant le cycle de charge-décharge sans changer de taille, ce qui permet un flux d'ions plus important sans endommager les anodes. Cette recherche a été rapportée le 1er juin dans la revue Nature Nanotechnology.

"L'ingénierie intentionnelle des nanomatériaux creux se fait depuis un certain temps déjà, et c'est une approche prometteuse pour améliorer la durée de vie et la stabilité des batteries à haute densité énergétique", a déclaré Matthew McDowell, professeur adjoint à l'école d'ingénierie mécanique George W. Woodruff et à l'école de science et d'ingénierie des matériaux de l'Institut de technologie de Géorgie. "Le problème est que la synthèse directe de ces nanostructures creuses à grande échelle, nécessaire pour les applications commerciales, est difficile et coûteuse. Notre découverte pourrait offrir un processus plus facile et rationalisé qui pourrait conduire à une amélioration des performances d'une manière similaire aux structures creuses conçues intentionnellement".

Les chercheurs ont fait leur découverte en utilisant un microscope électronique à haute résolution qui leur a permis de visualiser directement les réactions des piles lorsqu'elles se produisent à l'échelle nanométrique. "C'est un type d'expérience délicat, mais si vous êtes patient et faites les expériences correctement, vous pouvez apprendre des choses vraiment importantes sur la façon dont les matériaux se comportent dans les piles", a déclaré M. McDowell.

L'équipe, qui comprend des chercheurs de l'ETH Zürich et du Oak Ridge National Laboratory, a également utilisé la modélisation pour créer un cadre théorique permettant de comprendre pourquoi les nanoparticules se creusent spontanément - au lieu de se contracter - lors du retrait du lithium de la batterie.

La capacité de former et de remplir de manière réversible des particules creuses pendant le cycle de la batterie ne se produit que dans les nanocristaux d'antimoine recouverts d'oxyde qui ont un diamètre inférieur à environ 30 nanomètres. L'équipe de recherche a découvert que ce comportement provient d'une couche d'oxyde native résiliente qui permet une expansion initiale pendant la lithiation - flux d'ions dans l'anode - mais empêche mécaniquement le rétrécissement car l'antimoine forme des vides pendant l'élimination des ions, un processus connu sous le nom de délithiation.

Cette découverte a été un peu surprenante car les travaux antérieurs sur les matériaux apparentés avaient été réalisés sur des particules plus grosses, qui se dilatent et se rétractent au lieu de former des structures creuses. "Lorsque nous avons observé pour la première fois le comportement distinctif des creux, c'était très excitant et nous avons immédiatement su que cela pouvait avoir des implications importantes sur les performances des batteries", a déclaré M. McDowell.

L'antimoine est relativement cher et n'est pas utilisé actuellement dans les électrodes de batteries commerciales. Mais M. McDowell pense que le creusement spontané peut également se produire dans des matériaux connexes moins coûteux tels que l'étain. Les prochaines étapes consisteraient à tester d'autres matériaux et à tracer une voie vers une mise à l'échelle commerciale.

"Il serait intéressant de tester d'autres matériaux pour voir s'ils se transforment selon un mécanisme d'évidement similaire", a-t-il déclaré. "Cela pourrait élargir la gamme des matériaux disponibles pour les batteries. Les petites batteries d'essai que nous avons fabriquées ont montré des performances de charge-décharge prometteuses, nous aimerions donc évaluer les matériaux dans des batteries plus grandes".

Bien qu'ils puissent être coûteux, les nanocristaux d'antimoine autolissants ont une autre propriété intéressante : ils pourraient également être utilisés dans les batteries à ions sodium et à ions potassium, des systèmes émergents pour lesquels beaucoup de recherches doivent encore être menées.

"Ce travail fait progresser notre compréhension de la façon dont ce type de matériau évolue à l'intérieur des batteries", a déclaré M. McDowell. "Ces informations seront essentielles pour mettre en œuvre le matériau ou les matériaux connexes dans la prochaine génération de batteries lithium-ion, qui pourront stocker plus d'énergie et être tout aussi durables que les batteries que nous avons aujourd'hui".

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Cet article a été publié à l'origine par le Georgia Institute of Technology, écrit par John Toon.
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