Premiers portraits réalistes de la couche spongieuse qui est la clé des performances de la batterie

Premiers portraits réalistes de la couche spongieuse qui est la clé des performances de la batterie

Dans les batteries lithium-métal de nouvelle génération, le liquide entre les électrodes, appelé électrolyte, corrode les surfaces des électrodes, formant une fine couche spongieuse appelée SEI. Pour réaliser des images à l’échelle atomique de cette couche dans son environnement natif, les chercheurs ont inséré une grille métallique dans une pile bouton fonctionnelle (à gauche). Lorsqu’ils l’ont retiré, de minces films d’électrolyte se sont accrochés à de minuscules trous circulaires à l’intérieur de la grille, maintenus en place par la tension superficielle, et des couches SEI s’étaient formées sur de minuscules fils de lithium dans ces mêmes trous. Les chercheurs ont éliminé l’excès de liquide (au centre) avant de plonger la grille dans de l’azote liquide (à droite) pour congeler les films dans un état vitreux pour examen avec cryo-EM. Cela a donné les premières images détaillées de la couche SEI dans son état gonflé naturel. Crédit : Zewen Zhang/Université de Stanford

Les batteries au lithium métal pourraient stocker beaucoup plus de charge dans un espace donné que les batteries lithium-ion d’aujourd’hui, et la course est lancée pour les développer pour les véhicules électriques de nouvelle génération, l’électronique et d’autres utilisations.

Mais l’un des obstacles qui se dressent sur le chemin est une bataille silencieuse entre deux des parties de la batterie. Le liquide entre les électrodes de la batterie, connu sous le nom d’électrolyte, corrode la surface de l’anode de lithium métallique, la recouvrant d’une fine couche de crasse appelée interphase d’électrolyte solide, ou SEI.

Bien que la formation de SEI soit considérée comme inévitable, les chercheurs espèrent stabiliser et contrôler la croissance de cette couche d’une manière qui maximise les performances de la batterie. Mais jusqu’à présent, ils n’ont jamais eu une image claire de ce à quoi ressemble le SEI lorsqu’il est saturé d’électrolyte, comme il le serait dans une batterie en état de marche.

Aujourd’hui, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie et de l’Université de Stanford ont réalisé les premières images haute résolution de cette couche dans son état naturel dodu et spongieux. Cette avancée a été rendue possible par la microscopie électronique cryogénique, ou cryo-EM, une technologie révolutionnaire qui révèle des détails aussi petits que des atomes.

Les résultats, ont-ils dit, suggèrent que le bon électrolyte peut minimiser le gonflement et améliorer les performances de la batterie, offrant aux scientifiques une nouvelle façon potentielle de peaufiner et d’améliorer la conception de la batterie. Ils offrent également aux chercheurs un nouvel outil pour étudier les batteries dans leur environnement de travail quotidien.

L’équipe a décrit son travail dans un article publié dans La science aujourd’hui.

“Aucune autre technologie ne peut examiner cette interface entre l’électrode et l’électrolyte avec une résolution aussi élevée”, a déclaré Zewen Zhang, doctorant à Stanford. étudiant qui a mené les expériences avec les professeurs du SLAC et de Stanford Yi Cui et Wah Chiu. “Nous voulions prouver que nous pouvions imager l’interface à ces échelles auparavant inaccessibles et voir l’état natif et vierge de ces matériaux tels qu’ils sont dans les batteries.”

Cui a ajouté : “Nous trouvons que ce gonflement est presque universel. Ses effets n’avaient pas été largement appréciés par la communauté de recherche sur les batteries auparavant, mais nous avons constaté qu’il a un impact significatif sur les performances de la batterie.”

Un outil « excitant » pour la recherche énergétique

Il s’agit du dernier d’une série de résultats révolutionnaires au cours des cinq dernières années qui montrent que la cryo-EM, qui a été développée comme un outil pour la biologie, ouvre des « opportunités passionnantes » dans la recherche énergétique, a écrit l’équipe dans une revue distincte du domaine publiée en juillet en Comptes de la recherche chimique.







Cette vidéo montre un fil métallique au lithium recouvert d’une couche appelée SEI et saturé de l’électrolyte liquide environnant ; les lignes pointillées représentent les bords extérieurs de cette couche SEI. Au fur et à mesure que l’électrolyte est retiré, le SEI se dessèche et rétrécit (flèches) jusqu’à environ la moitié de son épaisseur précédente. Les chercheurs du SLAC et de Stanford ont utilisé la cryo-EM pour créer les premières images claires et détaillées de la couche SEI dans l’environnement humide d’une batterie en fonctionnement. Les résultats suggèrent de nouvelles façons d’améliorer les performances des batteries de nouvelle génération. Crédit : Zewen Zhang/Université de Stanford

La cryo-EM est une forme de microscopie électronique, qui utilise des électrons plutôt que la lumière pour observer le monde des tout petits. En congelant rapidement leurs échantillons dans un état transparent et vitreux, les scientifiques peuvent observer les machines cellulaires qui exécutent les fonctions de la vie dans leur état naturel et à une résolution atomique. Les améliorations récentes de la cryo-EM l’ont transformée en une méthode très recherchée pour révéler la structure biologique avec des détails sans précédent, et trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de chimie 2017 pour leurs contributions pionnières à son développement.

Inspiré par de nombreuses réussites en cryo-EM biologique, Cui s’est associé à Chiu pour explorer si la cryo-EM pouvait être un outil aussi utile pour étudier les matériaux liés à l’énergie que pour étudier les systèmes vivants.

L’une des premières choses qu’ils ont examinées était l’une de ces couches SEI embêtantes sur une électrode de batterie. Ils ont publié les premières images à l’échelle atomique de cette couche en 2017, ainsi que des images de croissances en forme de doigt de fil de lithium qui peuvent percer la barrière entre les deux moitiés de la batterie et provoquer des courts-circuits ou des incendies.

Mais pour faire ces images, ils ont dû retirer les pièces de la batterie de l’électrolyte, de sorte que le SEI sèche dans un état rétréci. À quoi cela ressemblait dans un état humide à l’intérieur d’une batterie en état de fonctionnement était une énigme.

Le buvard à la rescousse

Pour capturer le SEI dans son environnement natif détrempé, les chercheurs ont trouvé un moyen de fabriquer et de congeler des films très minces du liquide électrolytique qui contenait de minuscules fils de lithium métallique, qui offraient une surface pour la corrosion et la formation de SEI.

Tout d’abord, ils ont inséré une grille métallique utilisée pour contenir des échantillons cryo-EM dans une pile bouton. Lorsqu’ils l’ont retiré, de minces films d’électrolyte se sont accrochés à de minuscules trous circulaires à l’intérieur de la grille, maintenus en place par la tension superficielle juste assez longtemps pour effectuer les étapes restantes.

Cependant, ces films étaient encore trop épais pour que le faisceau d’électrons pénètre et produise des images nettes. Alors Chiu a suggéré une solution : absorber l’excès de liquide avec du papier buvard. La grille buvard a été immédiatement plongée dans de l’azote liquide pour congeler les petits films dans un état vitreux qui a parfaitement conservé le SEI. Tout cela s’est déroulé dans un système fermé qui protégeait les films de l’exposition à l’air.

Les résultats ont été spectaculaires, a déclaré Zhang. Dans ces environnements humides, les SEI ont absorbé l’électrolyte et ont gonflé à environ le double de leur épaisseur précédente.

Lorsque l’équipe a répété le processus avec une demi-douzaine d’autres électrolytes de compositions chimiques différentes, elle a découvert que certains produisaient des couches SEI beaucoup plus épaisses que d’autres et que les couches qui gonflaient le plus étaient associées aux pires performances de la batterie.

Premiers portraits réalistes de la couche spongieuse qui est la clé des performances de la batterie

Les images cryo-EM d’électrolyte accroché aux trous d’une grille d’échantillonnage montrent pourquoi il est important d’éliminer l’excès d’électrolyte avant de congeler et d’imager les échantillons. En haut, l’excès d’électrolyte s’est gelé en une couche épaisse (à droite) et a parfois même formé des cristaux (à gauche), bloquant la vue du microscope sur les minuscules échantillons circulaires situés en dessous. Après le buvardage (en bas), la grille (à gauche) et ses minuscules trous (à droite) sont clairement visibles et sondés avec des faisceaux d’électrons. Les chercheurs du SLAC et de Stanford ont utilisé cette méthode pour créer les premières images cryo-EM réalistes d’une couche appelée SEI qui se forme à la surface des électrodes en raison de réactions chimiques avec l’électrolyte de la batterie. Crédit : Weijiang Zhou/Université de Stanford

“À l’heure actuelle, ce lien entre le comportement de gonflement SEI et les performances s’applique aux anodes au lithium métal”, a déclaré Zhang, “mais nous pensons qu’il devrait également s’appliquer en règle générale à d’autres anodes métalliques.”

L’équipe a également utilisé la pointe ultrafine d’un microscope à force atomique (AFM) pour sonder les surfaces des couches SEI et vérifier qu’elles étaient plus spongieuses dans leur état humide et gonflé que dans leur état sec.

Depuis que l’article de 2017 a révélé ce que la cryo-EM peut faire pour les matériaux énergétiques, il a été utilisé pour zoomer sur les matériaux des cellules solaires et des molécules en forme de cage appelées structures métallo-organiques qui peuvent être utilisées dans les piles à combustible, la catalyse et le gaz. stockage.

En ce qui concerne les prochaines étapes, les chercheurs disent qu’ils aimeraient trouver un moyen d’imager ces matériaux en 3D et de les imager alors qu’ils sont encore à l’intérieur d’une batterie de travail, pour l’image la plus réaliste à ce jour.

Yi Cui est directeur du Precourt Institute for Energy de Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC. Wah Chiu est co-directeur des installations Cryo-EM de Stanford-SLAC, où les travaux d’imagerie cryo-EM pour cette étude ont eu lieu. Une partie de ce travail a été réalisée dans les installations partagées de Stanford Nano (SNSF) et Stanford Nanofabrication Facility (SNF).


Les additifs électrolytiques réactifs améliorent les performances des batteries au lithium métal


Plus d’information:
Zewen Zhang et al, Capturer le gonflement de l’interphase solide-électrolyte dans les batteries lithium-métal, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abi8703. www.science.org/doi/10.1126/science.abi8703

Zewen Zhang et al, Microscopie électronique cryogénique pour les matériaux énergétiques, Comptes de la recherche chimique (2021). DOI : 10.1021/acs.accounts.1c00183

Fourni par SLAC National Accelerator Laboratory

Citation: Premiers portraits réalistes de la couche visqueuse qui est la clé des performances de la batterie (2022, 6 janvier) récupérés le 6 janvier 2022 à partir de https://techxplore.com/news/2022-01-realistic-portraits-squishy-layer-key.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.