Une étude de l'Université du Michigan révèle des fissures chez Li

Plutôt que d'être uniquement préjudiciables, les fissures dans les cathodes des batteries lithium-ion réduisent le temps de charge de la batterie, selon une étude réalisée à l'Université du Michigan. Cela va à l’encontre de l’opinion de nombreux constructeurs de véhicules électriques, qui tentent de minimiser les fissures car elles diminuent la durée de vie de la batterie. Un article en libre accès sur ces travaux est publié dans la revue RSC Energy & Environmental Science.

Les particules secondaires polycristallines Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC) sont les matériaux cathodiques les plus courants pour les batteries Li-ion. Pendant la (dé)charge électrochimique, on pense que le lithium diffuse à travers la masse et entre (quitte) la particule secondaire à la surface. Sur la base de ce modèle, les particules plus petites auraient un cycle plus rapide en raison de longueurs de diffusion plus courtes et de rapports surface/volume plus élevés. Dans ce travail, nous évaluons cette hypothèse largement répandue en développant une nouvelle plateforme d’électrochimie monoparticule à haut débit utilisant le réseau multi-électrodes issu des neurosciences. En mesurant les temps de réaction et de diffusion de 21 particules individuelles dans des électrolytes liquides, nous ne trouvons aucune corrélation entre la taille des particules et les temps de réaction ou de diffusion, ce qui contraste fortement avec le modèle de transport du lithium dominant.

Nous proposons que des réactions électrochimiques se produisent à l'intérieur des particules secondaires, probablement en raison de la pénétration de l'électrolyte dans les fissures. Notre plate-forme électrochimique à haut débit et à particules uniques ouvre de nouvelles frontières pour une quantification statistique robuste des particules individuelles dans les systèmes électrochimiques.

Mécanisme proposé pour les temps de réaction et de diffusion indépendants de la taille(un) Le modèle standard pour le transport du lithium au niveau des particules suppose que le lithium pénètre à la surface des particules secondaires et se diffuse dans la masse. En conséquence, la longueur de diffusion effective augmente avec le diamètre des particules secondaires.(b) Min et coll. proposent que l'échelle de longueur pertinente (rEffective) soit beaucoup plus courte que le rayon de la particule secondaire et est indépendante du diamètre de la particule secondaire. Une possibilité est que l’électrolyte pénètre dans la particule en raison d’une fissuration intergranulaire. Min et coll.

L’équipe estime que les résultats s’appliquent à plus de la moitié de toutes les batteries de véhicules électriques, dans lesquelles la cathode est composée de milliards de particules microscopiques constituées soit d’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt, soit d’oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium.

Théoriquement, la vitesse à laquelle la cathode se charge dépend du rapport surface/volume des particules. Les particules plus petites devraient se charger plus rapidement que les particules plus grosses, car elles ont une surface plus élevée par rapport au volume, de sorte que les ions lithium ont des distances plus courtes pour se diffuser à travers elles.

Cependant, les méthodes conventionnelles ne pouvaient pas mesurer directement les propriétés de charge des particules cathodiques individuelles, mais uniquement la moyenne de toutes les particules qui composent la cathode de la batterie. Cette limitation signifie que la relation largement acceptée entre la vitesse de charge et la taille des particules cathodiques n’était qu’une hypothèse.

Mesurer la vitesse de charge de particules cathodiques individuelles était essentiel pour découvrir les avantages du craquage des cathodes. Les chercheurs y sont parvenus en insérant les particules dans un réseau multi-électrodes, un dispositif généralement utilisé par les neuroscientifiques pour étudier la manière dont les cellules cérébrales individuelles transmettent des signaux électriques.

Conception et fabrication de réseaux multi-électrodes(un) Illustration schématique d’un réseau multi-électrodes à haut débit. Les microélectrodes Au sont gravées sur un substrat de silicium avec un oxyde thermique de 500 nm. Les plages de contact Au, d'environ 1 mm chacune, sont tracées sur la limite du réseau et connectées électriquement aux microélectrodes au centre.(b) Une image optique des électrodes. La puce contient 2 grandes électrodes de compteur/référence et 62 microélectrodes de travail plus petites.(c) Image agrandie de quatre microélectrodes de travail avec des particules NMC assemblées. Chaque microélectrode Au mesure 20 × 20 µm ; les fils Au sont passivés avec 50 nm de nitrure de silicium.