La tomographie par rayons X permet aux chercheurs de surveiller la charge et la décharge des batteries à semi-conducteurs

Les batteries lithium-ion désormais largement utilisées pour tout, de l'électronique mobile aux véhicules électriques, reposent sur un électrolyte liquide pour transporter les ions entre les électrodes de la batterie pendant les cycles de charge et de décharge. Le liquide recouvre uniformément les électrodes, permettant la libre circulation des ions.

La technologie des batteries à semi-conducteurs en évolution rapide utilise plutôt un électrolyte solide, ce qui devrait aider à augmenter la densité d'énergie et à améliorer la sécurité des futures batteries. Mais l'élimination du lithium des électrodes peut créer des vides au niveau des interfaces qui causent des problèmes de fiabilité, limitant la durée de fonctionnement des batteries.

À l'aide de la tomographie à rayons X, les chercheurs ont observé l'évolution interne des matériaux à l'intérieur des batteries au lithium à l'état solide au fur et à mesure qu'elles étaient chargées et déchargées. Des informations tridimensionnelles détaillées issues de la recherche pourraient contribuer à améliorer la fiabilité et les performances des batteries, qui utilisent des matériaux solides pour remplacer les électrolytes liquides inflammables dans les batteries lithium-ion existantes.

L'imagerie par microtomographie informatisée par rayons X synchrotron Operando a révélé comment les changements dynamiques des matériaux d'électrode aux interfaces lithium/électrolyte solide déterminent le comportement des batteries à semi-conducteurs. Les chercheurs ont découvert que le fonctionnement de la batterie provoquait la formation de vides à l'interface, ce qui créait une perte de contact qui était la principale cause de défaillance des cellules.

L'équipe a construit des cellules de test spéciales d'environ deux millimètres de large et a étudié les changements dans la structure de la batterie pendant une période de cinq jours. L'instrument de test a pris des images de différentes directions; les images ont été reconstruites à l'aide d'algorithmes informatiques pour fournir des images 3D des batteries au fil du temps.

Parce que le lithium est si léger, l'imager avec des rayons X peut être difficile et nécessite une conception spéciale des cellules de la batterie de test. La technologie utilisée est similaire à celle utilisée pour les tomodensitogrammes (CT) médicaux. En raison des limites des tests, les chercheurs n'ont pu observer la structure des batteries qu'au cours d'un seul cycle. Dans les travaux futurs, ils aimeraient voir ce qui se passe au cours d'un cycle supplémentaire et si la structure s'adapte d'une manière ou d'une autre à la création et au remplissage des vides. Les résultats s'appliqueraient probablement à d'autres formulations d'électrolytes et la technique de caractérisation pourrait être utilisée pour obtenir des informations sur d'autres processus de batterie.

Les blocs-batteries pour véhicules électriques doivent résister à au moins 1 000 cycles pendant une durée de vie prévue de 150 000 milles. Bien que les batteries à semi-conducteurs avec des électrodes au lithium métallique puissent offrir plus d'énergie pour une batterie de taille donnée, cet avantage ne l'emportera pas sur la technologie existante à moins qu'elles ne puissent fournir des durées de vie comparables.