Les défauts à l’échelle nanométrique pourraient favoriser les matériaux de stockage d’énergie


Les défauts à l'échelle nanométrique pourraient favoriser les matériaux de stockage d'énergie

Le groupe Singer exploite et les dislocations dans les électrolytes à l’état solide pour créer des matériaux de d’énergie supérieurs. Crédit photo: American Chemical Society

Certaines imperfections sont payantes.

Une collaboration dirigée par Cornell a utilisé la nanoimagerie par rayons X pour fournir un aperçu sans précédent des électrolytes à l’état solide et révéler des défauts cristallins et des dislocations jusqu’alors inconnus qui peuvent maintenant être utilisés pour créer des matériaux de stockage d’énergie supérieurs.

Les travaux du groupe « Nanoimagerie aux rayons X des défauts cristallins dans les grains uniques de l’électrolyte solide Li »7e-3XAlXLa3Zr2Ö12ème», publié le 29 avril dans Nano lettres, une publication de l’American Chemical Society. L’auteur principal du journal est Yifei Sun, étudiant au doctorat.

Les scientifiques des matériaux étudient les effets de minuscules défauts dans les métaux depuis un demi-siècle. Le développement d’outils d’imagerie a maintenant créé des opportunités pour étudier des phénomènes similaires dans d’autres matériaux, en particulier ceux utilisés pour le stockage d’énergie.

Un groupe dirigé par Andrej Singer, professeur adjoint et David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow au Département de science et de génie des matériaux, utilise le rayonnement synchrotron pour révéler des défauts atomiques dans les matériaux de batterie que les approches conventionnelles telles que la microscopie électronique n’ont pas trouvées.

Le groupe Singer s’intéresse particulièrement aux électrolytes à l’état solide car ceux-ci pourraient potentiellement être utilisés en remplacement des électrolytes liquides et polymères des batteries lithium-ion. L’un des principaux inconvénients des électrolytes liquides est qu’ils ont tendance à former des dendrites épineuses entre l’anode et la cathode qui court-circuitent la batterie ou, pire, la font exploser.

Les électrolytes à l’état solide ont l’avantage d’être ininflammables, mais posent leurs propres défis. Ils ne conduisent pas les ions lithium aussi fortement ou aussi rapidement que les liquides, et il peut être difficile de maintenir le contact entre l’anode et la cathode. Les électrolytes solides doivent également être extrêmement fins; Sinon, la batterie serait trop volumineuse et tout gain de capacité serait annulé.

Qu’est-ce qui pourrait rendre les électrolytes solides viables? De minuscules défauts, a déclaré Singer.

« Ces défauts pourraient faciliter la diffusion des ions afin que les ions puissent s’écouler plus rapidement. C’est connu pour être le cas dans les métaux », a-t-il déclaré. « Comme pour les métaux, il est préférable d’avoir des défauts pour éviter la rupture. Cela peut rendre le matériau moins sujet à la rupture. »

Le groupe Singer a travaillé avec Nikolaos Bouklas, professeur assistant à la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering et co-auteur de l’article, pour comprendre comment les défauts et les dislocations peuvent affecter les propriétés mécaniques des électrolytes à l’état solide.

L’équipe Cornell a ensuite travaillé avec des chercheurs de Virginia Tech, dirigés par Feng Lin, co-auteur principal de l’article, qui ont synthétisé l’échantillon: une structure cristalline de grenat, de l’oxyde de lithium et de zirconium (LLZO), dans laquelle diverses concentrations d’aluminium ont été ajoutées. dans un processus appelé dopage.

En utilisant la source de photons avancée du laboratoire national Argonne du département américain de l’énergie, ils ont utilisé une technique appelée Bragg Coherent Diffractive Imaging, dans laquelle un faisceau de rayons X pur et cylindrique – un peu comme un pointeur laser – est focalisé sur un seul micromètre. grain par LLZO. Les électrolytes sont constitués de millions de ces grains. Le faisceau a produit une image 3D qui a finalement révélé la morphologie et les déplacements atomiques du matériau.

«On croyait que ces électrolytes étaient des cristaux parfaits», a déclaré Sun. « Cependant, nous trouvons des défauts tels que des dislocations et des joints de grains qui n’ont pas été signalés auparavant. Sans notre imagerie 3D, qui est extrêmement sujette aux erreurs, il est probablement impossible de voir ces dislocations car la densité de dislocation est si faible. »

Les chercheurs planifient actuellement une étude pour mesurer comment les défauts affectent les performances des électrolytes à l’état solide dans une batterie réelle.

«Maintenant que nous savons exactement ce que nous recherchons, nous voulons trouver ces lacunes et les étudier pendant que la batterie fonctionne», a déclaré Singer. « Nous en sommes encore loin, mais nous sommes peut-être au début d’un nouveau développement où nous pouvons délibérément concevoir ces défauts pour fabriquer de meilleurs matériaux de stockage d’énergie. »


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Plus d’information:
Yifei Sun et coll. Nanoimagerie aux rayons X des défauts cristallins dans les grains uniques de l’électrolyte solide Li7e-3XAlXLa3Zr2Ö12ème, Nano lettres (2021). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c00315

Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: Les défauts à l’échelle nanométrique pourraient promouvoir les matériaux de stockage d’énergie (2021, 11 mai), consulté le 11 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-nanoscale-defects-boost-energy-storage.html

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