Pour la première fois, des chercheurs ont observé comment les ions lithium circulent à travers les interfaces des batteries, ce qui pourrait aider les ingénieurs à optimiser la conception des matériaux. Des chercheurs du MIT, de l'Université de Stanford, du SLAC National Accelerator et du Toyota Research Institute ont réalisé des progrès révolutionnaires dans la compréhension du phosphate de fer et de lithium, un matériau important pour les batteries. Grâce à une analyse avancée d'images aux rayons X, ils ont découvert que les changements dans l'efficacité du matériau sont liés à l'épaisseur du revêtement de carbone. Cette découverte pourrait améliorer les performances de la batterie.

Une équipe de chercheurs du MIT, de l'Université de Stanford, du SLAC National Accelerator Laboratory et du Toyota Research Institute a utilisé l'apprentissage automatique pour réanalyser les images aux rayons X des ions lithium entrant et sortant des nanoparticules d'électrodes de batterie (à gauche) pendant le cycle de batterie. Les fausses couleurs de cette image montrent l’état de charge de chaque particule et révèlent les processus inhomogènes à l’intérieur des particules individuelles. Source de l'image : Cube3D

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 de voitures électriques et autres batteries rechargeables.

La nouvelle technologie a révélé des phénomènes inédits, notamment des changements dans le taux de réactions d’intercalation du lithium dans différentes régions de nanoparticules de phosphate de fer et de lithium.

La découverte pratique la plus importante de l’article est que les changements dans ces vitesses de réaction sont liés aux différences d’épaisseur du revêtement de carbone à la surface des particules, ce qui peut améliorer l’efficacité de charge et de décharge de ces batteries.

En exploitant des images aux rayons X, les chercheurs du MIT ont fait une nouvelle découverte majeure sur la réactivité du phosphate de fer et de lithium, un matériau utilisé dans les batteries de voitures électriques et autres batteries rechargeables. Dans chaque paire de particules de la figure, la particule réelle se trouve à gauche et la particule simulée par les chercheurs à droite. Source de l'image : Fournie par des chercheurs

Ingénierie des interfaces

"Ce que nous avons appris de cette étude, c'est que c'est l'interface qui contrôle réellement la dynamique des batteries, en particulier dans les batteries modernes d'aujourd'hui constituées de nanoparticules de matériaux actifs." Martin Bazant, l'auteur principal de l'étude et l'E.G. Professeur Roos de génie chimique et professeur de mathématiques au MIT.

Cette méthode de découverte de la physique derrière les motifs complexes dans les images pourrait également être utilisée pour approfondir de nombreux autres matériaux, notamment d'autres types de batteries, mais également des systèmes biologiques tels que les cellules en division d'un embryon en développement.

"Je pense que la chose la plus intéressante dans ce travail est que nous sommes capables de prendre des images d'un système qui forme un modèle et d'apprendre les principes qui régissent ce modèle", a déclaré Bazant.

recherche collaborative

Le Dr Hongbo Zhao, premier auteur de la nouvelle étude, était étudiant diplômé au MIT et est maintenant postdoctorant à l'Université de Princeton. 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 l'Université de 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 étions capables de réaliser de superbes films radiographiques de nanoparticules de batterie au travail, mais mesurer et comprendre les détails subtils de leur fonctionnement était difficile car les films étaient très informatifs", a déclaré Chueh. "En apprenant les images de ces films à l'échelle nanométrique, nous pouvons obtenir des informations qui n'étaient pas disponibles auparavant."

Modélisation du taux de réaction

Les électrodes des batteries au lithium fer phosphate sont composées de nombreuses petites particules de lithium fer phosphate entourées d’une solution électrolytique. Les particules typiques ont un diamètre d'environ 1 micron et une épaisseur d'environ 100 nanomètres. Lorsqu'une batterie se décharge, les ions lithium s'écoulent de la solution électrolytique vers le matériau via une réaction électrochimique appelée intercalation ionique. Lorsque la batterie est chargée, la réaction d’intercalation s’inverse 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 ses bonnes propriétés de sécurité et de l'utilisation d'éléments abondants", a déclaré Storey. "Nous constatons une utilisation croissante du phosphate de fer et de lithium sur le marché des véhicules électriques, le moment de cette étude ne pourrait donc pas être mieux choisi."

Avant cette étude, Bazant avait mené une modélisation théorique approfondie sur les modes de formation d’intercalation des ions lithium. 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 est piloté par des réactions d'intercalation qui produisent des modèles uniques de flux d'ions lithium. 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 par microscopie à rayons X à effet tunnel.

Grâce à ce microscope, les chercheurs peuvent obtenir des images qui montrent, pixel par pixel, la concentration d'ions lithium en chaque point de la particule. Ils peuvent scanner la particule plusieurs fois au fur et à mesure qu’elle se charge ou se décharge, créant ainsi un film montrant comment les ions lithium entrent et sortent de la particule.

En 2017, Bazant et ses collègues du SLAC ont reçu un financement du Toyota Research Institute pour mener des recherches plus approfondies en utilisant cette approche, ainsi que d'autres projets de recherche liés aux batteries.

idées et conclusions

En analysant les images aux rayons X de 63 particules de phosphate de fer et de lithium pendant leur charge et leur décharge, les chercheurs ont découvert que le mouvement des ions lithium à l'intérieur du matériau était presque identique aux simulations informatiques précédentes créées par Bazant. Les chercheurs ont utilisé les 180 000 pixels comme données de mesure pour entraîner des modèles informatiques afin de générer des équations qui décrivent avec précision la thermodynamique hors équilibre et la cinétique de réaction des matériaux de batterie.

"Chaque petit pixel à l'intérieur passe du plein au vide, du plein au vide. Nous cartographions l'ensemble du processus, en utilisant nos équations pour comprendre comment cela se produit", a déclaré Bazant.

Les chercheurs ont également découvert que les modèles de flux d’ions lithium 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 nous a vraiment surpris de pouvoir regarder les images pour comprendre les hétérogénéités du système - dans ce cas, les changements dans les taux de réaction de la surface. Certaines zones semblaient réagir très rapidement, et d'autres semblaient réagir très lentement", a déclaré Bazant.

De plus, les chercheurs ont découvert que ces différences dans les vitesses de réaction étaient liées à l’épaisseur du revêtement de carbone à la surface des particules de phosphate de fer et de lithium. Le revêtement en carbone du phosphate de fer et de lithium l'aide à conduire l'électricité. Sinon, le matériau conduirait l'électricité trop lentement pour être utile comme batterie.

À l’échelle nanométrique, les changements dans l’épaisseur du revêtement de carbone contrôlent directement la conductivité, ce qui n’aurait jamais été découvert sans ces modélisations et analyses d’images. Les résultats fournissent également un soutien quantitatif à une hypothèse proposée par Bazant il y a plusieurs années : selon laquelle les performances des électrodes au lithium fer phosphate sont principalement limitées par le taux de transfert couplé ion-électron à l'interface entre les particules solides et le revêtement de carbone, plutôt que par le taux de diffusion des ions lithium dans le solide.

Optimiser les matériaux

Les résultats de cette étude montrent que l'optimisation de l'épaisseur de la couche de carbone à la surface de l'électrode peut aider les chercheurs à concevoir des batteries qui fonctionnent plus efficacement, ont indiqué les chercheurs.

Il s’agit de la première étude permettant de relier directement les propriétés du matériau de la batterie aux propriétés physiques du revêtement. L’objectif de l’optimisation et de la conception des batteries devrait être de contrôler la cinétique de réaction à l’interface électrolyte-électrode.

"La publication de cet article est le point culminant de six années de travail acharné et de collaboration", a déclaré Storey. "Cette technologie nous permet de découvrir le fonctionnement interne des batteries d'une manière qui n'a jamais été possible auparavant. Notre prochain objectif est d'améliorer la conception des batteries en appliquant cette nouvelle compréhension."

En plus d'utiliser cette méthode analytique sur d'autres matériaux de batterie, Bazant prévoit qu'elle pourra être utilisée pour étudier la formation de modèles dans d'autres systèmes chimiques et biologiques.