Lacroix
En extrayant des données d’images radiographiques, des chercheurs du MIT, de l’Université de Stanford, du SLAC Countrywide Accelerator et du Toyota Study Institute ont fait de nouvelles découvertes importantes sur la réactivité du phosphate de fer et de lithium, un matériau utilisé dans les batteries des voitures électriques et dans d’autres batteries rechargeables. batteries.
La nouvelle strategy a révélé plusieurs phénomènes auparavant impossibles à observer, notamment des variations du taux de réactions d’intercalation du lithium dans différentes régions d’une nanoparticule de phosphate de fer et de lithium.
La découverte pratique la additionally importante de l’article, à savoir que ces versions de vitesse de réaction sont corrélées à des différences d’épaisseur du revêtement de carbone à la area des particules, pourrait conduire à des améliorations de l’efficacité de charge et de décharge de ces batteries.
“Ce que nous avons appris de cette étude, c’est que ce sont les interfaces qui contrôlent réellement la dynamique de la batterie, en particulier dans les batteries modernes d’aujourd’hui fabriquées à partir de nanoparticules de matériau actif. Cela signifie que nous devrions vraiment nous concentrer sur l’ingénierie de cette interface”, déclare Martin. Bazant, professeur EG Roos de génie chimique et professeur de mathématiques au MIT, qui est l’auteur principal de l’étude.
Cette approche visant à découvrir la physique derrière les motifs complexes dans les pictures pourrait également être utilisée pour mieux comprendre de nombreux autres matériaux, non seulement d’autres forms de batteries, mais également des systèmes biologiques, tels que les cellules en division dans un embryon en développement.
“Ce que je trouve le as well as passionnant dans ce travail, c’est la possibilité de prendre des pictures d’un système en educate de former un specified modèle et d’apprendre les principes qui le régissent”, explique Bazant.
Hongbo Zhao PhD ’21, ancien étudiant diplômé du MIT et maintenant postdoctorant à l’Université de Princeton, est l’auteur principal de la nouvelle étude, qui paraît aujourd’hui dans Nature. Parmi les autres auteurs figurent Richard Bratz, professeur Edwin R. Gilliland de génie chimique au MIT William Chueh, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à Stanford et directeur du SLAC-Stanford Battery Centre et Brian Storey, directeur principal de l’énergie et des matériaux au Toyota Study Institute.
“Jusqu’à présent, nous pouvions réaliser ces magnifiques films radiographiques de nanoparticules de batterie au travail, mais il était difficile de mesurer et de comprendre les détails subtils de leur fonctionnement motor vehicle les movies étaient très riches en informations”, explique Chueh. “En appliquant l’apprentissage d’images à ces films à l’échelle nanométrique, nous extrayons des informations qui n’étaient pas possibles auparavant.”
Modélisation des taux de réaction
Les électrodes des batteries au lithium fer phosphate sont constituées de nombreuses petites particules de lithium fer phosphate, entourées d’une resolution électrolytique. Une particule typique a un diamètre d’environ 1 micron et une épaisseur d’environ 100 nanomètres. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium s’écoulent de la remedy électrolytique vers le matériau par une réaction électrochimique appelée intercalation ionique. Lorsque la batterie se charge, la réaction d’intercalation est inversée et les ions circulent dans la path opposée.
“Le lithium fer phosphate (LFP) est un matériau de batterie vital en raison de son faible coût, de son bon bilan de sécurité et de son utilisation d’éléments abondants”, explique Storey. “Nous constatons une utilisation accrue du LFP sur le marché des véhicules électriques, le second de cette étude ne pourrait donc pas être mieux choisi.”
Avant la présente étude, Bazant avait réalisé de nombreuses modélisations théoriques des motifs formés par l’intercalation lithium-ion. Le phosphate de fer et de lithium préfère exister dans l’une des deux phases stables suivantes : soit pleine d’ions lithium, soit vide. Depuis 2005, Bazant travaille sur des modèles mathématiques de ce phénomène, connu sous le nom de séparation de phases, qui génère des modèles distinctifs de flux lithium-ion entraînés par des réactions d’intercalation. En 2015, alors qu’il était en congé sabbatique à Stanford, il a commencé à travailler avec Chueh pour tenter d’interpréter des visuals de particules de lithium et de phosphate de fer obtenues par microscopie à rayons X à effet tunnel.
Grâce à ce type de microscopie, les chercheurs peuvent obtenir des photos révélant la concentration en ions lithium, pixel par pixel, en chaque level de la particule. Ils peuvent scanner les particules plusieurs fois au fur et à mesure que les particules se chargent ou se déchargent, ce qui leur permet de créer des movies sur la façon dont les ions lithium entrent et sortent des particules.
En 2017, Bazant et ses collègues du SLAC ont reçu un financement du Toyota Exploration Institute pour poursuivre d’autres études en utilisant cette approche, ainsi que d’autres projets de recherche liés aux batteries.
En analysant les images aux rayons X de 63 particules de phosphate de fer et de lithium lors de leur charge et de leur décharge, les chercheurs ont découvert que le mouvement des ions lithium dans le matériau pourrait être presque identique aux simulations informatiques créées furthermore tôt par Bazant. En utilisant les 180 000 pixels comme mesures, les chercheurs ont formé le modèle informatique pour produire des équations qui décrivent avec précision la thermodynamique hors équilibre et la cinétique de réaction du matériau de la batterie.
“Chaque petit pixel passe du plein au vide, du plein au vide. Et nous cartographions l’ensemble de ce processus, en utilisant nos équations pour comprendre remark cela se produit”, explique Bazant.
Les chercheurs ont également découvert que les modèles de flux de lithium-ion qu’ils ont observés pourraient révéler des variants spatiales de la vitesse à laquelle les ions lithium sont absorbés à chaque endroit de la surface des particules.
“Cela a été une véritable shock pour nous de pouvoir découvrir les hétérogénéités du système – dans ce cas, les versions de la vitesse de réaction de la area – simplement en regardant les photographs”, explique Bazant. “Il y a des régions qui semblent rapides et d’autres qui semblent lentes.”
De moreover, les chercheurs ont montré que ces différences de vitesse de réaction étaient corrélées à l’épaisseur du revêtement de carbone à la surface area des particules de phosphate de fer et de lithium. Ce revêtement de carbone est appliqué sur le phosphate de fer et de lithium pour l’aider à conduire l’électricité – sinon le matériau se conduirait trop lentement pour être utile comme batterie.
“Nous avons découvert à l’échelle nanométrique que la variation de l’épaisseur du revêtement de carbone contrôle directement le taux, ce que vous ne pourriez jamais comprendre sans toute cette modélisation et cette analyse d’images”, explique Bazant.
Les résultats offrent également un soutien quantitatif à une hypothèse formulée par Bazant il y a plusieurs années : selon laquelle les performances des électrodes au lithium fer phosphate sont limitées principalement par le taux de transfert couplé ion-électron à l’interface entre la particule solide et le revêtement de carbone, plutôt que par le taux de diffusion des ions lithium dans le solide.
Matériaux optimisés
Les résultats de cette étude suggèrent que l’optimisation de l’épaisseur de la couche de carbone à la area de l’électrode pourrait aider les chercheurs à concevoir des batteries qui fonctionneraient moreover efficacement, affirment les chercheurs.
“Il s’agit de la première étude able d’attribuer directement une propriété du matériau de la batterie à une propriété physique du revêtement”, explique Bazant. “L’optimisation et la conception des batteries devraient se concentrer sur le contrôle de la cinétique de réaction à l’interface de l’électrolyte et de l’électrode.”
“Cette publication est le position culminant de six années de dévouement et de collaboration”, déclare Storey. “Cette strategy nous permet de débloquer le fonctionnement interne de la batterie d’une manière qui n’était pas feasible auparavant. Notre prochain objectif est d’améliorer la conception de la batterie en appliquant cette nouvelle compréhension.”
En as well as d’utiliser ce form d’analyse sur d’autres matériaux de batterie, Bazant prévoit que cela pourrait être utile pour étudier la development de modèles dans d’autres systèmes chimiques et biologiques.
Ce travail a été soutenu par le Toyota Exploration Institute dans le cadre du programme Accelerated Components Design and Discovery.
