Analyse aux rayons X pixel par pixel : révolutionner les informations sur les batteries lithium-ion

Dans une première, les chercheurs ont observé comment les ions lithium circulent à travers une interface de batterie, ce qui pourrait aider les ingénieurs à optimiser la conception du matériau.

Des chercheurs de MIT, l’Université de Stanford, le SLAC National Accelerator et le Toyota Research Institute ont réalisé des percées dans la compréhension du lithium fer phosphate, un matériau crucial pour les batteries. Grâce à une analyse avancée d’images aux rayons X, ils ont découvert que les variations de l’efficacité de ce matériau sont liées à l’épaisseur de son revêtement de carbone. Cette information peut conduire à une amélioration des performances de la batterie.

En exploitant des données d’images radiographiques, des chercheurs du MIT, de l’Université de Stanford, du SLAC National Accelerator et du Toyota Research Institute ont fait de nouvelles découvertes importantes sur la réactivité du phosphate de fer et de lithium, un matériau utilisé dans les batteries des voitures électriques et dans d’autres batteries rechargeables. batteries.

La nouvelle technique a révélé plusieurs phénomènes auparavant impossibles à observer, notamment des variations du taux de réactions d’intercalation du lithium dans différentes régions d’une nanoparticule de phosphate de fer et de lithium.

La découverte pratique la plus significative de l’article, à savoir que ces variations de vitesse de réaction sont corrélées à des différences d’épaisseur de la couche de carbone à la surface des particules, pourrait conduire à des améliorations de l’efficacité de charge et de décharge de ces batteries.

En exploitant des images aux rayons X, les chercheurs du MIT ont fait de nouvelles découvertes importantes sur la réactivité du lithium fer phosphate, un matériau utilisé dans les batteries des voitures électriques et dans d’autres batteries rechargeables. Dans chaque paire illustrée, les particules réelles se trouvent à gauche et les simulations des chercheurs à droite. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Ingénierie des interfaces

« Ce que nous avons appris de cette étude, c’est que ce sont les interfaces qui contrôlent réellement la dynamique de la batterie, en particulier dans les batteries modernes d’aujourd’hui fabriquées à partir de nanoparticules de matériau actif. Cela signifie que nous devrions vraiment nous concentrer sur l’ingénierie de cette interface », déclare Martin Bazant, professeur de génie chimique EG Roos et professeur de mathématiques au MIT, qui est l’auteur principal de l’étude.

Cette approche visant à découvrir la physique derrière les motifs complexes dans les images pourrait également être utilisée pour mieux comprendre de nombreux autres matériaux, non seulement d’autres types de batteries, mais également des systèmes biologiques, tels que les cellules en division dans un embryon en développement.

« Ce que je trouve le plus passionnant dans ce travail, c’est la possibilité de prendre des images d’un système en train de former un certain modèle et d’apprendre les principes qui le régissent », explique Bazant.

Recherche collaborative

Hongbo Zhao PhD ’21, un ancien étudiant diplômé du MIT qui est maintenant postdoctorant à université de Princetonest l’auteur principal de la nouvelle étude, publiée le 13 septembre dans la revue Nature. Parmi les autres auteurs figurent Richard Bratz, professeur Edwin R. Gilliland de génie chimique au MIT ; William Chueh, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à Stanford et directeur du SLAC-Stanford Battery Center ; et Brian Storey, directeur principal de l’énergie et des matériaux au Toyota Research Institute.

« Jusqu’à présent, nous pouvions réaliser ces magnifiques films radiographiques de nanoparticules de batterie au travail, mais il était difficile de mesurer et de comprendre les détails subtils de leur fonctionnement car les films étaient très riches en informations », explique Chueh. « En appliquant l’apprentissage de l’image à ces à l’échelle nanométrique films, nous pouvons extraire des informations qui n’étaient pas possibles auparavant.

Modélisation des taux de réaction

Les électrodes des batteries au lithium fer phosphate sont constituées de nombreuses petites particules de lithium fer phosphate, entourées d’une solution électrolytique. Une particule typique a un diamètre d’environ 1 micron et une épaisseur d’environ 100 nanomètres. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium s’écoulent de la solution électrolytique vers le matériau par une réaction électrochimique appelée intercalation ionique. Lorsque la batterie se charge, la réaction d’intercalation est inversée et les ions circulent dans la direction opposée.

« Le lithium fer phosphate (LFP) est un matériau de batterie important en raison de son faible coût, de son bon bilan de sécurité et de son utilisation d’éléments abondants », explique Storey. « Nous constatons une utilisation accrue du LFP sur le marché des véhicules électriques, le moment de cette étude ne pourrait donc pas être mieux choisi. »

Avant la présente étude, Bazant avait réalisé de nombreuses modélisations théoriques des motifs formés par l’intercalation lithium-ion. Le phosphate de fer et de lithium préfère exister dans l’une des deux phases stables suivantes : soit pleine d’ions lithium, soit vide. Depuis 2005, Bazant travaille sur des modèles mathématiques de ce phénomène, connu sous le nom de séparation de phases, qui génère des modèles distinctifs de flux lithium-ion entraînés par des réactions d’intercalation. En 2015, alors qu’il était en congé sabbatique à Stanford, il a commencé à travailler avec Chueh pour tenter d’interpréter des images de particules de lithium et de phosphate de fer obtenues par microscopie à rayons X à effet tunnel.

Grâce à ce type de microscopie, les chercheurs peuvent obtenir des images révélant la concentration en ions lithium, pixel par pixel, en chaque point de la particule. Ils peuvent scanner les particules plusieurs fois au fur et à mesure que les particules se chargent ou se déchargent, ce qui leur permet de créer des films sur la façon dont les ions lithium entrent et sortent des particules.

En 2017, Bazant et ses collègues du SLAC ont reçu un financement du Toyota Research Institute pour poursuivre d’autres études en utilisant cette approche, ainsi que d’autres projets de recherche liés aux batteries.

Aperçus et conclusions

En analysant les images aux rayons X de 63 particules de phosphate de fer et de lithium lors de leur charge et de leur décharge, les chercheurs ont découvert que le mouvement des ions lithium dans le matériau pourrait être presque identique aux simulations informatiques créées plus tôt par Bazant. En utilisant les 180 000 pixels comme mesures, les chercheurs ont formé le modèle informatique pour produire des équations qui décrivent avec précision la thermodynamique hors équilibre et la cinétique de réaction du matériau de la batterie.

« Chaque petit pixel passe du plein au vide, du plein au vide. Et nous cartographions l’ensemble de ce processus, en utilisant nos équations pour comprendre comment cela se produit », explique Bazant.

Les chercheurs ont également découvert que les modèles de flux de lithium-ion qu’ils ont observés pourraient révéler des variations spatiales de la vitesse à laquelle les ions lithium sont absorbés à chaque endroit de la surface des particules.

« Cela a été une véritable surprise pour nous de pouvoir découvrir les hétérogénéités du système – dans ce cas, les variations de la vitesse de réaction de la surface – simplement en regardant les images », explique Bazant. « Il y a des régions qui semblent rapides et d’autres qui semblent lentes. »

De plus, les chercheurs ont montré que ces différences de vitesse de réaction étaient corrélées à l’épaisseur du revêtement de carbone à la surface des particules de phosphate de fer et de lithium. Ce revêtement de carbone est appliqué sur le phosphate de fer et de lithium pour l’aider à conduire l’électricité – sinon, le matériau conduirait trop lentement pour être utile comme batterie.

« Nous avons découvert à l’échelle nanométrique que la variation de l’épaisseur du revêtement de carbone contrôle directement le taux, ce que vous ne pourriez jamais comprendre sans toute cette modélisation et cette analyse d’images », explique Bazant.

Les résultats offrent également un soutien quantitatif à une hypothèse formulée par Bazant il y a plusieurs années : selon laquelle les performances des électrodes au lithium fer phosphate sont limitées principalement par le taux de transfert couplé ion-électron à l’interface entre la particule solide et le revêtement de carbone, plutôt que par le taux de diffusion des ions lithium dans le solide.

Matériaux optimisés

Les résultats de cette étude suggèrent que l’optimisation de l’épaisseur de la couche de carbone à la surface de l’électrode pourrait aider les chercheurs à concevoir des batteries qui fonctionneraient plus efficacement, affirment les chercheurs.

« Il s’agit de la première étude capable d’attribuer directement une propriété du matériau de la batterie à une propriété physique du revêtement », explique Bazant. « L’optimisation et la conception des batteries devraient se concentrer sur le contrôle de la cinétique de réaction à l’interface de l’électrolyte et de l’électrode. »

« Cette publication est le point culminant de six années de dévouement et de collaboration », déclare Storey. « Cette technique nous permet de débloquer le fonctionnement interne de la batterie d’une manière qui n’était pas possible auparavant. Notre prochain objectif est d’améliorer la conception des batteries en appliquant cette nouvelle compréhension.

En plus d’utiliser ce type d’analyse sur d’autres matériaux de batterie, Bazant prévoit que cela pourrait être utile pour étudier la formation de modèles dans d’autres systèmes chimiques et biologiques.

Ce travail a été soutenu par le Toyota Research Institute dans le cadre du programme Accelerated Materials Design and Discovery.