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La découverte d'une batterie pivot pourrait avoir un impact sur les transports et le réseau


Les chercheurs découvrent une nouvelle voie pour surmonter la baisse de overall performance qui se produit avec les cycles répétés de charge-décharge dans les cathodes des batteries de nouvelle génération.

Les véhicules à batterie ont fait une percée importante sur le marché des transports. Mais ce marché a toujours besoin de batteries à moindre coût qui peuvent alimenter des véhicules pour une as well as grande autonomie. Les batteries à faible coût capables de stocker sur le réseau l’énergie propre intermittente des systems solaires et éoliennes et d’alimenter des centaines de milliers de foyers sont également souhaitables.

Pour répondre à ces besoins, les chercheurs du monde entier se précipitent pour développer des batteries au-delà de la norme actuelle des matériaux lithium-ion. L’un des candidats les furthermore prometteurs est la batterie sodium-ion. Il est particulièrement intéressant en raison de la additionally grande abondance et du moindre coût du sodium par rapport au lithium. De furthermore, lorsqu’elle est cyclée à haute rigidity (4,5 volts), une batterie sodium-ion peut augmenter considérablement la quantité d’énergie pouvant être stockée dans un poids ou un quantity donné. Cependant, sa baisse assez rapide des performances avec les cycles de charge-décharge a entravé la commercialisation.



Des chercheurs du laboratoire nationwide d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont découvert une raison clé de la dégradation des performances  : l’apparition de défauts dans la structure atomique qui se forment au cours des étapes de préparation du matériau de la cathode. Ces défauts conduisent finalement à un tremblement de terre structurel dans la cathode, entraînant une baisse catastrophique des performances pendant le cycle de la batterie. Forts de ces connaissances, les développeurs de batteries pourront désormais ajuster les ailments de synthèse pour fabriquer des cathodes sodium-ion bien supérieures.

qui sont tous deux des installations d’utilisateurs du DOE Business of Science.



“Ces capacités nous ont permis de suivre en temps réel les modifications de la composition atomique du matériau de la cathode pendant sa synthèse”, a déclaré Guiliang Xu, chimiste adjoint à la division des sciences chimiques et de l’ingénierie d’Argonne.

Pendant la synthèse de la cathode, les fabricants de matériaux chauffent lentement le mélange cathodique à une température très élevée dans l’air, le maintiennent là pendant une durée déterminée, puis abaissent rapidement la température à la température ambiante.

“Voir, c’est croire”, a déclaré Yuzi Liu, un nanoscientifique du CNM. “Avec les installations scientifiques de classe mondiale d’Argonne, nous n’avons pas à deviner ce qui se passe pendant la synthèse.” Pour cela, l’équipe a fait appel au microscope électronique à transmission du CNM et aux faisceaux X synchrotron de l’APS (lignes 11-ID-C et 20-BM).

Leurs données ont révélé que, lors de la chute rapide de la température pendant la synthèse du matériau, la area des particules de cathode était devenue moins lisse et présentait de grandes zones indiquant une contrainte. Les données ont également montré qu’un effet thrust-pull dans ces zones se produit pendant le cycle de la cathode, provoquant la fissuration des particules de cathode et une baisse des performances.

Après une étude additionally approfondie, l’équipe a découvert que cette dégradation s’intensifiait lors du cycle des cathodes à haute température (130 degrés Fahrenheit) ou avec une demand rapide (une heure au lieu de 10 heures).

“Nos connaissances sont extrêmement importantes pour la fabrication à grande échelle de cathodes sodium-ion améliorées”, a noté Khalil Amine, un Argonne Distinguished Fellow. “En raison de la grande quantité de matériau impliqué, disons 1000 kilogrammes, il y aura une grande variation de température, ce qui entraînera la formation de nombreux défauts à moins que des mesures appropriées ne soient prises.”

Des recherches antérieures menées par des membres de l’équipe avaient abouti à une anode grandement améliorée. “Maintenant, nous devrions être en mesure d’adapter notre cathode améliorée à l’anode pour atteindre une augmentation de 20 à 40 % des performances”, a déclaré Xu. “Aussi significant, ces batteries maintiendront ces performances avec un cycle à long terme à haute pressure.”

L’impact pourrait se traduire par une autonomie additionally longue dans des véhicules électriques in addition abordables et une réduction des coûts de stockage de l’énergie sur le réseau électrique.

L’équipe a publié ses recherches dans Nature Communications dans un write-up intitulé “Séisme structurel induit par la déformation du réseau natif dans les cathodes d’oxyde en couches de sodium”. En as well as de Xu, Liu et Amine, les auteurs incluent Xiang Liu, Xinwei Zhou, Chen Zhao, Inhui Hwang, Amine Daali, Zhenzhen Yang, Yang Ren, Cheng-Jun Sunshine et Zonghai Chen. Zhou et Liu ont effectué les analyses au CNM tandis que Ren et Sunlight ont effectué les analyses à l’APS.

Cette recherche a été financée par le Car or truck Technologies Business office du DOE.