Les scientifiques ont découvert la cause des explosions fréquentes des batteries lithium-ion !

Avec le développement rapide des appareils électroniques portables et des véhicules électriques, les gens recherchent non seulement une plus grande capacité et une vitesse de charge et de décharge plus rapide des batteries au lithium, mais ils sont également plus préoccupés par la manière d'assurer la sécurité de l'utilisation des batteries au lithium. En raison d'incidents occasionnels tels que des explosions de batteries au lithium, les nerfs sont inévitablement tendus. La condition préalable pour résoudre les problèmes de sécurité des batteries au lithium est que les scientifiques aient une compréhension approfondie et complète des causes des explosions des batteries au lithium.

L'explication scientifique actuelle est que le dépôt de lithium sur la surface de l'électrode formera des dendrites, qui continueront à croître, provoquant des courts-circuits internes dans la batterie, conduisant à une panne de batterie ou à des risques potentiels d'incendie. Mais dans le passé, il manquait des moyens techniques efficaces pour comprendre et étudier du point de vue de la structure atomique, puis trouver des solutions aux problèmes.
La technologie cryo EM, qui a remporté ce mois-ci le prix Nobel de chimie 2017, fournit un solide support technique à cet égard. L'équipe de recherche dirigée par le professeur Cui Yi de l'Université de Stanford et le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC relevant directement du Département américain de l'énergie, ainsi que par le lauréat du prix Nobel Steven Chu en 1997, a capturé la première image de dendrites métalliques de lithium au niveau atomique en utilisant la cryomicroscopie électronique ( cryoEM). Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue universitaire internationale Science le 27 octobre, heure locale.
Chaque dendrite métallique de lithium est un long cristal hexagonal parfaitement formé. Auparavant, seuls les cristaux de forme irrégulière étaient observés en microscopie électronique. Cui Yi a déclaré : « Les résultats de la recherche sont très passionnants et ont ouvert une nouvelle ère pour la recherche connexe !

Le microscope cryoélectronique, comme son nom l'indique, est une technique microscopique qui utilise la cryofixation pour observer des échantillons à basse température à l'aide d'un microscope électronique à transmission (TEM). La microscopie cryoélectronique est une méthode de recherche importante en biologie structurale et un moyen crucial pour obtenir la structure des biomolécules.

Parce que les images sont la clé de la compréhension des mécanismes, les avancées scientifiques reposent souvent sur l’utilisation de l’œil nu pour obtenir l’image visuelle de la cible. Pendant longtemps, on a cru que la TEM n’était pas adaptée à l’observation de biomolécules, car de puissants faisceaux d’électrons pouvaient endommager les matériaux biologiques. Cependant, l’émergence de la cryomicroscopie électronique a permis aux chercheurs de « geler » des biomolécules et d’observer et d’analyser leurs processus de mouvement d’une manière sans précédent. Ces caractérisations ont un impact déterminant sur la compréhension de la biochimie et le développement de la pharmacologie. C'est pourquoi la cryomicroscopie électronique sera également incluse dans le prix Nobel de chimie de cette année.
Pour des matériaux tels que le lithium, il n’est pas non plus possible d’utiliser un microscope électronique à projection pour visualiser les résultats au niveau atomique des dendrites. Semblable aux biomatériaux, lors de l’utilisation du TEM à température ambiante, les bords des dendrites s’enrouleront ou même fondront en raison de l’impact du faisceau d’électrons. Yanbin Li, un doctorant de l'Université de Stanford qui a participé à ces travaux, a déclaré : « La préparation des échantillons en microscopie électronique à transmission se fait dans l'air, mais le lithium métallique se corrode rapidement dans l'air. » "Chaque fois que nous essayons d'observer le lithium métallique sous un microscope électronique à haute puissance, les électrons" forent des trous "dans les dendrites et les font même complètement fondre."
Yanbin Li, un doctorant de l'Université de Stanford qui a participé à cette étude, a déclaré : « C'est comme braquer une loupe sur une feuille au soleil. Cependant, si vous pouvez refroidir la feuille, ce problème sera résolu facilement : si vous concentrez la lumière sur la feuille, la chaleur sera également perdue et la feuille ne sera pas endommagée. C'est ce que nous pouvons réaliser avec un microscope cryoélectronique, et la différence d'imagerie lors de l'utilisation de matériaux de batterie est très évidente.

Ainsi, la cryomicroscopie électronique a non seulement inauguré une nouvelle ère en biochimie, mais a également permis aux scientifiques de voir pour la première fois la structure complète des dendrites de lithium au niveau atomique. Les chercheurs ont également découvert que les dendrites des électrolytes à base de carbonate se développent dans une direction spécifique pour former des nanofils monocristallins. Certains d’entre eux peuvent se nouer au cours du processus de croissance, mais leur structure cristalline reste intacte.

Yuzhangli, un autre doctorant de l'Université de Stanford qui a participé à cette recherche, a déclaré que le masque facial à interface électrolytique solide (SEI) pouvait également être vu et a également révélé différentes nanostructures SEI formées dans différents électrolytes. Étant donné que le même revêtement se forme également sur l’électrode métallique lorsque la batterie est chargée et déchargée, le contrôle de sa génération et de sa stabilité est crucial pour une utilisation efficace de la batterie.
En utilisant la cryoEM, les scientifiques peuvent observer comment les électrons sont éjectés des atomes dans les dendrites, révélant ainsi la position des atomes individuels. Les scientifiques peuvent même mesurer la distance entre les atomes, et l’espacement atomique indique précisément qu’il s’agit d’atomes de lithium.
Le communiqué de presse publié par le SLAC montre qu'au microscope, les chercheurs utilisent différentes techniques pour observer la manière dont les électrons sont éjectés des atomes de la dendrite, révélant la position d'un seul atome dans le revêtement du masque facial du cristal et son interface électrolytique solide. . Lorsqu’ils ajoutent des produits chimiques couramment utilisés pour améliorer les performances de la batterie, la structure atomique du revêtement du masque facial à interface électrolytique solide devient plus ordonnée, ce qui aidera à expliquer pourquoi les additifs jouent un rôle.
"Nous sommes très excités. C'est la première fois que nous pouvons obtenir une image aussi détaillée des dendrites, et c'est aussi la première fois que nous pouvons voir la nanostructure de la couche du masque facial à interface électrolytique solide." YanbinLi a déclaré : « Cet outil peut nous aider à comprendre le rôle des différents électrolytes et pourquoi certains électrolytes ont de meilleurs effets que d'autres. »
Les données pertinentes observées lors de ces expériences peuvent permettre de mieux comprendre les mécanismes de défaillance des batteries. Bien que ce travail utilise le lithium métal comme exemple pour démontrer le caractère pratique de la cryoEM, cette méthode peut également être étendue à d'autres études impliquant des matériaux sensibles aux faisceaux tels que le lithium, le silicium ou le soufre. L’équipe de recherche a également déclaré qu’elle prévoyait de se concentrer sur une meilleure compréhension des propriétés chimiques et de la structure de la couche du masque facial à électrolytes solides.