Nouvelle étude révèle les causes de la fissuration des batteries et stratégies d'atténuation

Université de Chicago, École d'ingénierie moléculaire Pritzker, Chicago, Illinois

Jing Wang, chercheuse postdoctorale travaillant avec l'École d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'Université de Chicago et le Laboratoire national d'Argonne, est la première auteure d'un nouvel article qui a mis au jour certaines des causes profondes — et des moyens d'atténuer — les déformations nanoscopiques qui peuvent entraîner des fissures dans une forme de batterie de plus en plus populaire pour les véhicules électriques et autres technologies. (Image : John Zich)

Résolution d'un mystère majeur des batteries

De nouvelles recherches du Laboratoire national d'Argonne et de l'École d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'Université de Chicago ont résolu un grand mystère des batteries qui a entraîné une dégradation de la capacité, une durée de vie raccourcie et, dans certains cas, des incendies.

Dans un article publié dans Nature Nanotechnology, les chercheurs ont mis au jour certaines des causes profondes — et des moyens d'atténuer — les déformations nanoscopiques qui peuvent entraîner des fissures dans une forme de batterie de plus en plus populaire pour les véhicules électriques et autres technologies.

« L'électrification de la société a besoin de la contribution de tous », a déclaré l'un des auteurs correspondants Khalil Amine, chercheur distingué d'Argonne et professeur conjoint à l'Université de Chicago, « Si les gens ne font pas confiance aux batteries pour être sûres et durables, ils ne choisiront pas de les utiliser. »

Le passage aux cathodes monocristallines

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

La nouvelle recherche, menée par la première auteure Jing Wang pendant sa thèse, codirigée par le Laboratoire de stockage et conversion d'énergie du professeur Shirley Meng et l'équipe de technologie avancée des batteries d'Amine, a révélé le problème sous-jacent : des hypothèses tirées des cathodes polycristallines étaient appliquées à tort aux matériaux monocristallins.

« Quand les gens essaient de passer aux cathodes monocristallines, ils ont suivi des principes de conception similaires à ceux des polycristaux », a déclaré Wang, maintenant chercheuse postdoctorale travaillant avec l'Université de Chicago et Argonne. « Notre travail identifie que le mécanisme de dégradation majeur des particules monocristallines est différent de celui des polycristaux, 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 directrice de l'Alliance de recherche sur le stockage d'énergie (ESRA), basée à Argonne. « En comprenant mieux comment différents types de matériaux de cathode se dégradent, nous pouvons aider à concevoir une suite de matériaux de cathode haute performance pour les besoins énergétiques du monde. »

Mécanismes de dégradation distincts

Lorsqu'une batterie à cathode polycristalline se charge et se décharge, les minuscules particules primaires empilées gonflent et se rétractent. Cette expansion et contraction répétées peuvent élargir les joints de grain qui séparent les polycristaux, de manière similaire à la façon dont le gel et le dégel répétés créent des nids-de-poule dans les rues des villes. « Typiquement, elle subira environ 5 à 10 % d'expansion ou de retrait en volume », 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, l'électrolyte peut s'infiltrer, ce qui peut entraîner des réactions secondaires indésirables et une libération d'oxygène, ce qui peut soulever des problèmes de sécurité, y compris le risque d'emballement thermique. Mais, à l'exception de ces circonstances dramatiques, un effet plus quotidien est la dégradation de la capacité — les batteries s'estompent avec le temps, devenant de plus en plus incapables de délivrer la même charge qu'à l'état neuf. Comme elles ne sont pas faites de nombreux cristaux empilés, les matériaux de cathode monocristallins n'ont pas ces joints de grain initiaux, mais se dégradent encore.

« Nous avons démontré que la dégradation dans les 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 auparavant sous-estimé, ce travail établit un lien direct entre la composition du matériau et les voies de dégradation, fournissant une compréhension plus approfondie des origines de la dégradation des performances dans ces matériaux. »

Hétérogénéité de réaction : la cause cachée

En utilisant des techniques de rayons X synchrotron multi-échelle et un microscope électronique à transmission à haute résolution, ils ont découvert que la fissuration dans les cathodes monocristallines est principalement entraînée par l'hétérogénéité de réaction. Les particules subissaient des réactions à des vitesses différentes, causant une contrainte non pas entre de nombreux cristaux comme avec les conceptions polycristallines, mais à l'intérieur d'un seul.

Les cathodes polycristallines sont un exercice d'équilibre entre nickel, manganèse et cobalt. Le cobalt cause des fissures mais était nécessaire pour atténuer un problème distinct — le désordre Li/Ni.

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

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

« Les avancées viennent par cycles », a déclaré Amine. « Vous résolvez un problème, puis passez au suivant. Les informations décrites 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 protégée.