Une nouvelle étude révèle les causes des fissures des batteries et des stratégies d'atténuation

Université de Chicago, Pritzker School of Molecular Engineering, Chicago, IL

Jing Wang, chercheur postdoctoral travaillant à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago et au Argonne National Laboratory, est le premier auteur d'un nouvel article qui a révélé certaines des causes profondes - et des moyens d'atténuer - les contraintes nanoscopiques qui peuvent conduire à la fissuration d'une forme de batterie de plus en plus populaire pour les véhicules électriques et d'autres technologies. (Image :John Zich)

De nouvelles recherches du Laboratoire national d'Argonne et de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago ont résolu un mystère majeur sur les batteries qui a entraîné une dégradation de la capacité, une durée de vie raccourcie et, dans certains cas, un incendie.

Dans un article publié dans Nature Nanotechnology , les chercheurs ont découvert certaines des causes profondes - et des moyens d'atténuer - les contraintes nanoscopiques qui peuvent conduire à la fissuration d'une forme de batterie de plus en plus populaire pour les véhicules électriques et d'autres technologies.

"L'électrification de la société a besoin de la contribution de chacun", a déclaré l'un des auteurs correspondants Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow et professeur adjoint à l'Université de Chicago, "Si les gens ne croient pas que les batteries sont sûres et durables, ils ne choisiront pas de les utiliser."

En raison des problèmes de fissuration de longue date dans les batteries lithium-ion qui utilisent des matériaux polycristallins riches en Ni (PC-NMC) dans leurs cathodes, les chercheurs se sont tournés ces dernières années vers les oxydes en couches riches en Ni monocristallins (SC-NMC). Mais ils n'ont pas toujours montré des performances similaires ou meilleures que l'ancien modèle.

La nouvelle recherche, menée par le premier auteur Jing Wang au cours de son doctorat. Cette période, supervisée conjointement par le Laboratoire de stockage et de conversion d'énergie du professeur Shirley Meng et l'équipe de technologie avancée des batteries d'Amine, a révélé le problème sous-jacent :les hypothèses tirées des cathodes polycristallines étaient appliquées de manière incorrecte aux matériaux monocristallins.

"Lorsque les gens tentent de passer aux cathodes monocristallines, ils suivent des principes de conception similaires à ceux des cathodes polycristaux", a déclaré Wang, aujourd'hui chercheur postdoctoral travaillant à l'Université de Chicago et d'Argonne. "Notre travail identifie que le principal mécanisme de dégradation des particules monocristallines est différent de celui des particules polycristallines, ce qui conduit à des exigences de composition différentes."

"Non seulement de nouvelles stratégies de conception sont nécessaires, mais différents matériaux seront également nécessaires pour aider les batteries à cathode monocristalline à atteindre leur plein potentiel", a déclaré Meng, qui est également directeur de l'Energy Storage Research Alliance (ESRA), basée à Argonne. "En comprenant mieux comment les différents types de matériaux cathodiques se dégradent, nous pouvons aider à concevoir une suite de matériaux cathodiques hautement fonctionnels pour les besoins énergétiques mondiaux."

Lorsqu'une batterie à cathode polycristalline se charge et se décharge, les minuscules particules primaires empilées gonflent et rétrécissent. Cette expansion et cette contraction répétées peuvent élargir les limites des grains qui séparent les polycristaux, de la même manière que les gels et dégels répétés créent des nids-de-poule dans les rues des villes. "En général, il subira une expansion ou une diminution de volume d'environ 5 à 10 pour cent", a déclaré Wang. "Une fois qu'une expansion ou un retrait dépasse les limites élastiques, cela entraînera la fissuration des particules."

Si les fissures s'élargissent trop, de l'électrolyte peut pénétrer, ce qui peut entraîner des réactions secondaires indésirables et une libération d'oxygène, ce qui peut soulever des problèmes de sécurité, notamment un risque d'emballement thermique. Mais, sauf circonstances dramatiques, un effet plus quotidien est la dégradation de la capacité :les batteries s'affaiblissent avec le temps, devenant de plus en plus incapables de fournir la même charge qu'elles le faisaient lorsqu'elles étaient neuves. Puisqu'ils ne sont pas constitués de nombreux cristaux empilés, les matériaux cathodiques monocristallins n'ont pas ces limites de grains de départ, mais ils se dégradent quand même.

"Nous avons démontré que la dégradation des cathodes NMC monocristallines est principalement régie par un mode de défaillance mécanique distinct", a déclaré un autre auteur correspondant, Tongchao Liu, chimiste à Argonne. "En identifiant ce mécanisme jusqu'alors sous-estimé, ce travail établit un lien direct entre la composition des matériaux et les voies de dégradation, fournissant ainsi un aperçu plus approfondi des origines de la dégradation des performances de ces matériaux."

En utilisant des techniques de rayons X synchrotron multi-échelle et un microscope électronique à transmission haute résolution, ils ont découvert que la fissuration dans les cathodes monocristallines est principalement due à l’hétérogénéité des réactions. Les particules subissaient des réactions à des vitesses différentes, provoquant une contrainte non pas entre plusieurs cristaux comme dans les conceptions polycristaux, mais au sein d'un seul.

Les cathodes polycristaux sont un équilibre entre le nickel, le manganèse et le cobalt. Le cobalt provoque des fissures, mais il était nécessaire pour atténuer un problème distinct :le désordre Li/Ni.

En construisant et en testant une batterie nickel-cobalt (sans manganèse) et une batterie nickel-manganèse (sans cobalt), l’équipe a découvert que, pour les cathodes monocristallines, l’inverse était vrai. Le manganèse était mécaniquement plus nocif que le cobalt et le cobalt aidait en fait les batteries à durer plus longtemps.

Le cobalt est cependant plus cher que le nickel ou le manganèse. Wang a déclaré que la prochaine étape de l'équipe pour transformer cette innovation de laboratoire en un produit réel consiste à trouver des matériaux moins coûteux qui reproduisent les bons résultats du cobalt.

« Les progrès se font par cycles », a déclaré Amine. "Vous résolvez un problème, puis passez au suivant. Les idées présentées dans cet article collaboratif aideront les futurs chercheurs à créer des matériaux plus sûrs et plus durables pour les batteries de demain."

Pour plus d'informations, contactez Khalil Amine à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser..