Les premières mesures directes de dépôts minces, soi-disant isolants, qui se forment dans les batteries lithium-ion rechargeables vieillissantes, ont abouti à un résultat surprenant : ces dépôts ne sont après tout pas un isolant parfait. Selon des chercheurs du Département américain de l'énergie Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), la couche d’interphase d’électrolyte solide (SEI), comme on l’appelle, est plutôt sujette aux « fuites » d’électrons – une découverte qui pourrait aider les scientifiques à développer des batteries plus durables.

La couche SEI commence à se former la toute première fois qu’une batterie rechargeable passe par un cycle de charge. Au fil du temps, la couche s’épaissit progressivement et son état serait lié à la stabilité des performances d’une batterie. Auparavant, les scientifiques émettaient l’hypothèse que le SEI était électriquement isolant, mais ses propriétés physiques exactes – y compris son comportement électrique – étaient inconnues car il n’existait aucun moyen direct de les caractériser.

Des chercheurs dirigés par des technologues en batteries Chongmin Wang et les Wu Xu ont maintenant comblé ce manque de connaissances en intégrant une sonde en cuivre à l'échelle nanométrique directement dans une cellule de batterie pour développer un film SEI sur du cuivre ou du lithium. Ils ont ensuite transféré le film dans un sur place polarisation au microscope électronique à transmission et mesure ses propriétés électriques.

Les fuites d'électrons réduisent la durée de vie de la batterie

Les résultats montrent qu’à mesure que la tension dans la batterie augmente, la couche SEI « perd » des électrons, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie. Les chercheurs affirment que ce comportement de type semi-conducteur, jusqu'ici inobservé, est principalement dû aux composants contenant du carbone de la couche SEI. Cette découverte suggère que la réduction de ces composants devrait signifier que les batteries dureront plus longtemps.

Pour étayer ces constats, les collaborateurs de l'équipe du PNNL à Université Texas A & M (TAMU) a créé un modèle théorique d'un électrolyte à la surface d'une électrode de lithium métallique. Dirigé par Jorge Séminaire et les Perla Balbuena, les membres de l'équipe TAMU ont ensuite utilisé des simulations informatiques pour évaluer l'évolution chimique de l'électrolyte, en se concentrant sur la manière dont les interactions chimiques et physiques entre l'électrolyte et l'électrode provoquent la formation du SEI.

"À l'aide de techniques approfondies de physique quantique, nous avons testé les formulations d'électrolytes, évalué leurs chimies et morphologies de leur croissance SEI, et calculé leurs caractéristiques courant-tension", explique Seminario. "Les résultats impressionnants, où les résultats théoriques et expérimentaux ont suivi les mêmes tendances, permettent de déterminer les meilleurs électrolytes à utiliser pour les batteries lithium-métal."

Un échange d’idées fructueux

Balbuena ajoute que leurs résultats leur permettent de suggérer des électrolytes candidats possibles à leurs collègues expérimentateurs sur la base de premiers principes. À l’inverse, ils peuvent également étudier d’éventuels matériaux alternatifs à l’aide de leur modèle avant que l’équipe expérimentale ne les teste en laboratoire. Grâce à ce que Balbuena appelle « la synergie de la chimie expérimentale avec la théorie fondamentale dans l'étude des matériaux », les résultats de l'équipe devraient avoir des applications pour la recherche sur les batteries, les capteurs, les dispositifs biomédicaux et l'électronique nano et moléculaire, ainsi que pour l'informatique neuromorphique.

L’émergence d’une interphase cruciale dans les batteries lithium-ion est observée par les chercheurs

Seminario et Balbuena envisagent d'étendre leur ab initio études pour inclure tous les composants des batteries lithium-ion, et étendra également leurs analyses à d'autres produits chimiques afin de pouvoir démêler complètement les effets de dégradation qui surviennent lors du cycle de batterie.

Wang et ses collègues, pour leur part, examineront comment les différents matériaux d'une couche SEI sont spatialement distribués et corrélés, et comment cela influence les propriétés physiques de la couche. "Nous établirons également une corrélation directe entre les propriétés du SEI avec la chimie d'un électrolyte liquide et viserons à adapter le SEI en optimisant la composition de l'électrolyte pour fabriquer de meilleures batteries", explique Wang. Monde de la physique.

La présente étude est détaillée dans Nature Energy.

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• La source: https://physicsworld.com/a/leaky-insulating-layer-reduces-battery-lifetime/