Une étude de Columbia Engineering révèle comment la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire peut améliorer la conception des batteries au lithium métal en fournissant des informations détaillées sur les structures de surface des anodes. Crédit : Issues.fr.com
Les ingénieurs de Columbia utilisent la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire pour examiner les batteries au lithium métal sous un nouvel angle. Leurs découvertes pourraient les aider à concevoir de nouveaux électrolytes et surfaces d'anodes pour les batteries hautes performances.
Une équipe de Columbia Engineering détaille comment les techniques de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire peuvent être exploitées pour concevoir la surface de l'anode des batteries au lithium métal dans un nouvel article publié aujourd'hui (20 mai) dans la revue Joule. Cette recherche offre de nouvelles données et interprétations sur la manière dont ces méthodes offrent une perspective unique sur la structure de ces surfaces, bénéfique à la communauté des chercheurs sur les batteries.
« Nous pensons qu'avec toutes les données que nous avons rassemblées, nous pouvons contribuer à accélérer la conception de batteries au lithium métal et à les rendre sûres pour les consommateurs, ce que les gens tentent de faire depuis plus de quatre décennies », a déclaré le chef d'équipe Lauren Marbella, professeur agrégé de génie chimique.
La promesse des batteries au lithium métal
Les batteries qui utilisent une anode au lithium métallique au lieu d’une anode en graphite, comme celles utilisées dans nos téléphones portables et nos véhicules électriques, permettront des modes de transport électrifiés plus abordables et plus polyvalents, notamment les semi-remorques et les petits avions. Par exemple, le prix des batteries des véhicules électriques diminuerait tout en offrant une autonomie plus longue (de 400 km à >600 km).
Les défis de la commercialisation
Cependant, la commercialisation des batteries au lithium métal est encore loin. Le lithium métal est l'un des éléments les plus réactifs du tableau périodique et développe facilement une couche de passivation qui a un impact sur la structure de l'anode elle-même lors d'une utilisation normale de la batterie. Cette couche de passivation est comme la couche qui se développe lorsque l’argenterie ou les bijoux commencent à ternir, mais comme le lithium est très réactif, l’anode au lithium métallique d’une batterie commencera à « ternir » dès qu’elle touche l’électrolyte.
La chimie de la couche de passivation a un impact sur la façon dont les ions lithium se déplacent pendant la charge/décharge de la batterie, ce qui a finalement un impact sur la croissance ou non des filaments métalliques qui entraînent de mauvaises performances de la batterie à l'intérieur du système. Jusqu'à présent, mesurer la composition chimique de la couche de passivation, connue par la communauté des batteries sous le nom d'interphase d'électrolyte solide (SEI), tout en capturant simultanément des informations sur la façon dont les ions lithium situés dans cette couche se déplacent, était presque impossible.
Marbella a noté : « Si nous disposions de ces informations, nous pourrions commencer à établir des liens avec des structures et des propriétés SEI spécifiques qui conduisent à des batteries hautes performances. »
Aperçus de la nouvelle recherche
L'étude Joule distille des recherches récentes, dont une grande partie a été dirigée ou contribuée par le groupe Marbella, pour présenter un argumentaire visant à tirer parti des méthodes de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour relier la structure de la couche de passivation du lithium à sa fonction réelle dans la batterie. .
La RMN permet aux chercheurs de sonder directement la vitesse à laquelle les ions lithium se déplacent à l’interface entre l’anode lithium métallique et sa couche de passivation, tout en fournissant également une lecture des composés chimiques présents sur cette surface. Bien que d'autres méthodes de caractérisation, comme la microscopie électronique, puissent fournir des images saisissantes de la couche SEI à la surface du lithium métallique, elles ne peuvent pas identifier la composition chimique exacte des éléments désordonnés. espèces, et ils ne peuvent pas non plus « voir » le transport des ions. D'autres techniques permettant de sonder le transport du lithium à travers l'interface, comme les analyses électrochimiques, ne fournissent pas d'informations chimiques.
En examinant les données collectées dans le laboratoire de Marbella au cours des six dernières années, l'équipe a découvert que la RMN peut détecter de manière unique les changements dans la structure des composés du SEI sur le lithium métal, ce qui est essentiel pour expliquer certaines de ses relations structure-propriété les plus insaisissables. Les chercheurs estiment que la combinaison de plusieurs techniques, comme la RMN, d’autres spectroscopies, la microscopie, les simulations informatiques et les méthodes électrochimiques, sera nécessaire pour développer et faire progresser le développement de batteries au lithium métal.
Nouvelles connaissances grâce aux méthodes RMN
Lorsque les chercheurs exposent le lithium métallique à différents électrolytes, ils observent souvent des mesures de performances différentes. L'expérience RMN de Marbella montre que ces changements de performances surviennent parce que différentes compositions d'électrolytes créent des compositions SEI distinctes et délivrent des ions lithium à la surface de l'anode à des rythmes différents. Plus précisément, lorsque les performances de la batterie au lithium métal s’améliorent, le taux d’échange du lithium avec la surface augmente. Ils peuvent désormais également voir comment la couche de passivation doit être disposée. Pour obtenir les meilleures performances, différents composés chimiques doivent être superposés les uns sur les autres dans le SEI, plutôt que distribués de manière aléatoire.
Les expériences d'échange démontrées dans la nouvelle étude peuvent être utilisées par les scientifiques des matériaux pour aider à sélectionner des formulations d'électrolytes pour les batteries au lithium métal hautes performances ainsi qu'à identifier les composés de surface du SEI qui sont nécessaires pour des performances élevées. Marbella ajoute que la RMN est l'une des seules techniques – sinon la seule – capable de sonder les changements structurels locaux des composés dans le SEI afin de déterminer comment les matériaux ioniquement isolants peuvent permettre un transport rapide des ions lithium dans le SEI.
« Une fois que nous savons quels changements structurels se produisent – par exemple, des choses comme le fluorure de lithium deviennent-elles amorphes, défectueuses, de taille nanométrique – alors nous pouvons intentionnellement les intégrer et concevoir des batteries au lithium métal qui répondent aux paramètres de performance requis pour la commercialisation. L’expérience RMN est l’une des rares à pouvoir accomplir cette tâche et nous fournir les informations essentielles pour faire avancer la conception des surfaces anodiques.
Directions futures
Pour l’avenir, le groupe de Marbella continue de combiner la RMN avec l’électrochimie pour approfondir sa compréhension de la composition et des propriétés du SEI dans différents électrolytes pour les batteries au lithium métal. Ils développent également des méthodes pour identifier le rôle de composants chimiques individuels dans la facilitation du transport du lithium-ion à travers le SEI.
