La mécanique de base contribue à augmenter la capacité de stockage et la durée de vie de la batterie


Les chercheurs appliquent des mécanismes de base pour augmenter la capacité de stockage et la durée de vie des batteries

Crédit photo : Pexels, Mohamed Abdelghaffar

Les batteries sont largement utilisées dans les applications quotidiennes telles que l’alimentation des véhicules électriques et des appareils électroniques et sont des candidats prometteurs pour le stockage durable de l’énergie. Cependant, comme vous l’avez probablement remarqué avec la recharge quotidienne des batteries, leur fonctionnalité se dégrade avec le temps. A terme, nous devrons remplacer ces batteries, ce qui est non seulement coûteux mais consomme également les terres rares utilisées dans leur fabrication.

Un facteur clé dans la réduction de la de de la est la détérioration de l’intégrité structurelle d’une batterie. Pour éviter la détérioration structurelle, une équipe de chercheurs de l’USC Viterbi School of Engineering espère rendre les matériaux des batteries « ductiles » afin qu’ils puissent être utilisés à plusieurs reprises sans fatigue structurelle. Cette recherche a été dirigée par Ananya Renuka-Balakrishna, professeure adjointe WiSE Gabilan en génie aérospatial et mécanique, et Delin Zhang, doctorante à l’USC Viterbi, et des chercheurs de l’Université Brown du groupe du professeur Brian Sheldon. Votre travail était dans le. publié Journal of Mechanics and Physics of Solids.

Une batterie typique fonctionne selon un cycle répétitif d’insertion et d’extraction d’ions Li des électrodes, a déclaré Zhang. Cette insertion et ce retrait étire et comprime les grilles d’électrodes. Ces changements de volume créent des microfissures, des fractures et des défauts au fil du temps.

« Ces microfissures et fractures dans le matériau de la batterie entraîneront une détérioration structurelle qui finira par réduire la de la batterie », a déclaré Zhang. « En fin de compte, la batterie doit être remplacée par une nouvelle. »

Pour éviter que cela ne se produise, Zhang, qui étudie les matériaux d’intercalation – une classe de matériaux utilisés comme électrodes dans les batteries lithium-ion – étire ces électrodes d’intercalation à l’avance. Ce changement de l’état de tension initial régule les tensions de changement de phase, rendant les électrodes plus résistantes à la rupture ou à l’amorphisation (perte de leurs propriétés cristallines).

Plus grande tension, plus grande capacité

Les changements de phase, lorsque les matériaux de la batterie changent de forme physique, résultent du cycle d’expansion et de compression qui accompagne la charge et l’ quotidiennes. Zhang : « Ces changements de phase peuvent rendre les électrodes plus sujettes à la dégradation structurelle, surtout si le processus est répété si souvent. »

La réversibilité des phases est essentielle pour permettre aux batteries de conserver leur fonctionnalité efficace dans le temps. Renuka-Balakrishna a déclaré : « La réversibilité est améliorée en veillant à ce que le matériau reste sous sa forme cristalline. A certaines tensions, les matériaux peuvent devenir poudreux lors du passage d’une phase à l’autre, ce qui n’est pas idéal pour un fonctionnement efficace de la batterie. « . »

Les chercheurs se sont demandé : « Existe-t-il un moyen de conserver les matériaux de la batterie sous leur forme cristalline pendant qu’ils font des allers-retours entre les paysages énergétiques ? » La réponse : changer la structure du matériau en introduisant un état de contrainte initial.

Les chercheurs appliquent des mécanismes de base pour augmenter la capacité de stockage et la durée de vie des batteries

En étirant les électrodes avant de charger/décharger, les chercheurs ont modifié le paysage énergétique à travers lequel une électrode passe d’un état chargé à un état déchargé. Cela signifie que la batterie peut également fonctionner dans une plage de tension plus large, comme le montre le graphique de droite. Crédit : DELIN ZHANG

Zhang a déclaré : « En étirant les électrodes avant de charger et de décharger, nous modifions le paysage énergétique à travers lequel une électrode passe d’un état chargé à un état déchargé. Cette contrainte initiale nous permet de réduire la barrière énergétique à ces transformations et d’éviter les déformations dommageables du réseau qui conduisent à la rupture du matériau. Ce changement dans le paysage énergétique permet d’éviter les micro-fissures et les cassures et de protéger la durabilité et la capacité de stockage d’énergie de la batterie. »

Un avantage supplémentaire, selon Renuka-Balakrishna, est que la batterie peut également fonctionner dans une fenêtre de tension plus large en étirant les électrodes, ce qui rend sa capacité de stockage d’énergie plus efficace.

Les défis du stockage d’énergie moderne

L’une des principales préoccupations de la communauté du stockage d’énergie, a déclaré Renuka-Balakrishna, est de s’éloigner des électrolytes liquides inflammables qui sont normalement utilisés dans les batteries et de les mettre dans des matériaux solides. « Cela apporte de nouveaux défis », a-t-elle déclaré.

Les objets solides, comme nous le savons tous, peuvent se détériorer avec le temps en cas d’exposition répétée. Dès qu’une fissure se produit, les deux côtés d’une surface perdent le contact. Un simple problème mécanique se pose avec la batterie ; Sans la connexion, il est difficile de transporter des ions à travers le matériau, a déclaré Renuka-Balakrishna.

Des approches comme celle identifiée par Zhang sont une tentative pour obtenir des batteries plus sûres et plus durables tout en relevant ce défi mécanique. La nouveauté de cette approche est qu’au lieu de trouver un nouveau matériau pour améliorer la durée de vie de la batterie, vous pouvez améliorer la durée de vie d’un matériau existant en introduisant des concepts mécaniques de base pour améliorer la durée de vie de la batterie, ont déclaré les chercheurs.

« La mécanique n’a pas toujours fait partie intégrante de la conception des batteries », a déclaré Renuka-Balakrishna. « Mais maintenant, les ingénieurs peuvent jouer avec cette théorie / cet outil développé par Zhang et travailler sur la détermination de la durée de vie des matériaux de la batterie. »

L’amélioration de la durée de vie de la batterie profiterait aux utilisateurs d’appareils électroniques et de véhicules électriques, permettant une utilisation plus longue des appareils et minimisant les changements de batterie, a déclaré Zhang. De plus, étant donné le coût d’une batterie lithium-ion, cela pourrait permettre aux utilisateurs d’économiser beaucoup d’argent au fil du temps.

De plus, selon Zhang, le stockage d’énergie durable est un élément important de la réduction des émissions de gaz à effet de serre nocifs et de la réduction des déchets de batteries, et nous espérons que nos travaux ouvriront une nouvelle direction de recherche pour améliorer la réversibilité des matériaux.


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Plus d’information:
Delin Zhang et al., Les troncs de film améliorent le cycle réversible des électrodes d’intercalation, Journal of Mechanics and Physics of Solids (2021). DOI : 10.1016 / j.jmps.2021.104551

Fourni par l’Université de Californie du Sud

Citation: La mécanique de base aide à augmenter la capacité de stockage et la durée de vie de la batterie (2021, 30 août), consulté le 30 août 2021 à https://phys.org/news/2021-08-fundamental-mechanics-battery-storage-capacity .html

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