D’après ESS News.
Des efforts de recherche importants ont été déployés pour explorer la cinétique électrochimique dans les batteries au phosphate de fer-lithium, mais le débat persiste sur sur les mécanismes sous-jacents au processus d’insertion/extraction du lithium et aux transitions de phase associées – ceux-là même qui déterminent dans une large mesure les performances électrochimiques de la batterie. En particulier, l’origine de l’écart important entre la capacité théorique (170 mAhg-1) et la capacité pratique, qui est généralement inférieure de 10 à 25 %, reste une énigme.
À l’aide de microscopes électroniques à transmission, les chercheurs de l’université technologique de Graz (TU Graz) ont pu suivre systématiquement les ions lithium pendant qu’ils se déplaçaient dans le matériau de la batterie, cartographier leur disposition dans le réseau cristallin d’une cathode de phosphate de fer avec une résolution sans précédent et quantifier avec précision leur distribution dans le cristal.
« Nos recherches ont montré que même lorsque les cellules des batteries d’essai sont complètement chargées, les ions lithium restent dans le réseau cristallin de la cathode au lieu de migrer vers l’anode. Ces ions immobiles entraînent un coût en termes de capacité », explique Daniel Knez, de l’Institut de microscopie électronique et de nano-analyse de l’Université technique de Graz.
Les ions lithium immobiles sont répartis de manière inégale dans la cathode. Les chercheurs ont réussi à déterminer avec précision ces zones de différents niveaux d’enrichissement en lithium et à les séparer les unes des autres à quelques nanomètres près. Des distorsions et des déformations ont été constatées dans le réseau cristallin de la cathode dans les zones de transition.
« Ces détails fournissent des informations importantes sur les effets physiques qui ont jusqu’à présent nui à l’efficacité des batteries et dont nous pouvons tenir compte dans le développement ultérieur des matériaux », explique Ilie Hanzu, de l’Institute of Chemistry and Technology of Materials (Institut de chimie et de technologie des matériaux).
Pour leurs recherches, les chercheurs ont préparé des échantillons de matériaux à partir des électrodes de batteries chargées et déchargées et les ont analysés au microscope ASTEM à résolution atomique de l’Université technique de Graz. Ils ont combiné la spectroscopie de perte d’énergie des électrons avec des mesures de diffraction des électrons et l’imagerie au niveau atomique.
« En combinant différentes méthodes d’examen, nous avons pu déterminer où le lithium est positionné dans les canaux cristallins et comment il y parvient », explique Nikola de l’Institut de microscopie électronique et de nano-analyse et premier auteur de l’article.
Selon M. Šimić, ces nouvelles méthodes et les connaissances sur la diffusion des ions peuvent être transférées à d’autres matériaux pour batteries, moyennant quelques ajustements mineurs.
Les résultats de la recherche ont été discutés dans Phase Transitions and Ion Transport in Lithium Iron Phosphate by Atomic-Scale Analysis to Elucidate Insertion and Extraction Processes in Li-Ion Batteries publié dans Advanced Energy Materials.
Traduit par Marie Beyer.
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