Une propriété inattendue des cristaux d’antimoine à l’échelle nanométrique – la formation spontanée de constructions creuses – pourrait aider à donner à la prochaine génération de batteries au lithium-ion une densité d’énergie in addition élevée sans réduire la durée de vie de la batterie. Les structures évidées de manière réversible pourraient permettre aux batteries lithium-ion de contenir plus d’énergie et donc de fournir as well as de puissance entre les expenses.



Le flux d’ions lithium dans et hors des anodes de batterie en alliage a longtemps été un facteur limitant la quantité d’énergie que les batteries pouvaient contenir en utilisant des matériaux conventionnels. Trop de flux ionique fait gonfler puis rétrécir les matériaux d’anode pendant les cycles de charge-décharge, provoquant une dégradation mécanique qui raccourcit la durée de vie de la batterie. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont déjà développé des nanoparticules creuses de « coquille vitelline » qui s’adaptent au changement de quantity causé par le flux ionique, mais leur fabrication a été complexe et coûteuse.

Maintenant, une équipe de recherche a découvert que des particules mille fois moreover petites que la largeur d’un cheveu humain forment spontanément des structures creuses pendant le cycle de cost-décharge sans changer de taille, permettant moreover de flux ionique sans endommager les anodes. La recherche a été publiée le 1er juin dans la revue Character Nanotechnology.



« L’ingénierie intentionnelle de nanomatériaux creux a été réalisée depuis un sure temps déjà, et c’est une approche prometteuse pour améliorer la durée de vie et la stabilité des batteries à haute densité d’énergie », a déclaré Matthew McDowell, professeur adjoint à la George W. Woodruff College of Mechanical Engineering and l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux du Georgia Institute of Know-how. « Le problème est que la synthèse directe de ces nanostructures creuses à grande échelle nécessaire pour les apps commerciales est difficile et coûteuse. Notre découverte pourrait offrir un processus simplifié et simplifié qui pourrait conduire à une amélioration des performances d’une manière similaire à la conception creuse intentionnelle structures.  »

Les chercheurs ont fait leur découverte à l’aide d’un microscope électronique à haute résolution qui leur a permis de visualiser directement les réactions de la batterie lorsqu’elles se produisent à l’échelle nanométrique. « Il s’agit d’un form d’expérience délicat, mais si vous êtes client et faites les bonnes expériences, vous pouvez apprendre des choses très importantes sur le comportement des matériaux dans les batteries », a déclaré McDowell.

L’équipe, qui comprenait des chercheurs de l’ETH Zürich et du Oak Ridge Countrywide Laboratory, a également utilisé la modélisation pour créer un cadre théorique pour comprendre pourquoi les nanoparticules se creusent spontanément – au lieu de rétrécir – lors de l’élimination du lithium de la batterie.

La capacité de previous et de remplir de manière réversible des particules creuses pendant le cycle de la batterie se produit uniquement dans les nanocristaux d’antimoine recouverts d’oxyde qui ont un diamètre inférieur à environ 30 nanomètres. L’équipe de recherche a découvert que le comportement découle d’une couche d’oxyde natif résiliente qui permet une expansion initiale pendant la lithiation – flux d’ions dans l’anode – mais empêche mécaniquement le rétrécissement car l’antimoine forme des vides lors de l’élimination des ions, un processus connu sous le nom de délithiation .

La découverte a été un peu surprenante car des travaux antérieurs sur des matériaux apparentés avaient été effectués sur des particules plus grosses, qui se dilatent et se rétractent au lieu de previous des structures creuses. « Lorsque nous avons observé pour la première fois le comportement distinctif de creusage, c’était très excitant et nous avons immédiatement su que cela pouvait avoir des implications importantes pour les performances de la batterie », a déclaré McDowell.

L’antimoine est relativement cher et n’est actuellement pas utilisé dans les électrodes de batterie commerciales. Mais McDowell pense que le creusage spontané peut également se produire dans des matériaux connexes moins coûteux tels que l’étain. Les prochaines étapes consisteraient à tester d’autres matériaux et à tracer une voie vers une mise à l’échelle commerciale.

« Il serait intéressant de tester d’autres matériaux pour voir s’ils se transforment selon un mécanisme de creusage similaire », a-t-il déclaré. « Cela pourrait élargir la gamme de matériaux disponibles pour une utilisation dans les batteries. Les petites batteries de check que nous avons fabriquées ont montré des performances de demand-décharge prometteuses, nous aimerions donc évaluer les matériaux dans des batteries in addition grandes. »

Bien qu’ils soient coûteux, les nanocristaux d’antimoine car-creusants ont une autre propriété intéressante: ils pourraient également être utilisés dans les batteries aux ions sodium et potassium-ion, systèmes émergents pour lesquels beaucoup plus de recherches doivent être effectuées.

« Ce travail permet de mieux comprendre comment ce type de matériau évolue à l’intérieur des batteries », a déclaré McDowell. « Ces informations seront essentielles pour la mise en œuvre du matériau ou des matériaux connexes dans la prochaine génération de batteries lithium-ion, qui seront en mesure de stocker plus d’énergie et d’être tout aussi durables que les batteries que nous avons aujourd’hui. »