De petites batteries ont été utilisées pour étudier la formation spontanée de structures creuses à l'échelle nanométrique dans un laboratoire de Georgia Tech.

Les nanocristaux creux peuvent conduire à des anodes pour les batteries Li-ion qui ne se dégradent pas

Une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology a récemment découvert que les cristaux d’antimoine de taille nanométrique forment spontanément des structures creuses. Cela pourrait être une aubaine pour les batteries au lithium en leur permettant d’avoir des densités d’énergie plus élevées sans une durée de vie plus courte. Cela pourrait également allonger le délai entre les accusations.

Le flux d’ions lithium dans et hors des anodes de batterie au lithium a longtemps été un facteur limitant la quantité d’énergie que les batteries pouvaient contenir en utilisant des matériaux conventionnels. Si le flux ionique est trop élevé, l’anode gonfle puis rétrécit pendant les cycles de charge-décharge, dégradant le matériau dans l’anode et raccourcissant la durée de vie de la batterie.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs de Georgia Tech ont développé des nanoparticules creuses de «coquille vitelline» qui gèrent les changements de volume causés par le flux ionique. Cependant, la fabrication de ces particules était complexe et coûteuse.

De petites batteries ont été utilisées pour étudier la formation spontanée de structures creuses à l’échelle nanométrique dans un laboratoire de Georgia Tech.Matthew McDowell, Georgia Tech

Ensuite, l’équipe a découvert que des particules mille fois plus petites que la largeur d’un cheveu humain forment spontanément des structures creuses pendant le cycle de charge-décharge sans changer de taille. Cela permettrait aux anodes constituées de telles particules de gérer plus de flux ionique sans être endommagées.

«Notre découverte pourrait offrir un processus plus simple, peu coûteux et rationalisé pour fabriquer les structures creuses pour servir d’anodes», explique Matthew McDowell, professeur adjoint à Georgia Tech.

Les chercheurs ont fait leur découverte à l’aide d’un microscope électronique à haute résolution qui leur permet de voir les réactions de la batterie à l’échelle nanométrique. L’équipe, qui comprenait des chercheurs de l’ETH Zürich et du Oak Ridge National Laboratory, a également utilisé la modélisation pour créer un cadre théorique pour comprendre pourquoi les nanoparticules se creusent spontanément au lieu de rétrécir lorsque les ions lithium sont retirés de la batterie.

Finalement, les ingénieurs ont déterminé que les cristaux d’antimoine ne se forment et remplissent réversiblement les particules creuses pendant le cycle de la batterie que s’ils sont revêtus d’oxyde et ont un diamètre inférieur à 30 nanomètres. La couche d’oxyde natif laisse le tube se dilater lorsque les ions lithium entrent, puis empêche mécaniquement le rétrécissement car des vides se forment dans l’antimoine lorsque les ions sont éliminés.

L’antimoine est relativement cher et n’est pas utilisé dans les électrodes de batterie commerciales. Mais l’équipe pense qu’un évidement spontané peut également se produire dans des matériaux connexes moins coûteux tels que l’étain. Les prochaines étapes consisteraient à tester d’autres matériaux et à tracer une voie vers une mise à l’échelle commerciale.

Bien qu’ils puissent être coûteux, les nanocristaux d’antimoine auto-creusants ont une autre propriété intéressante: ils pourraient également être utilisés dans les batteries aux ions sodium et potassium-ion, des conceptions émergentes pour lesquelles beaucoup plus de recherches doivent être effectuées.

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