Les batteries ont parcouru un long chemin depuis que Volta a empilé pour la première fois des disques de cuivre et de zinc il y a 200 ans. Alors que la technologie a continué d’évoluer du plomb-acide au lithium-ion, de nombreux défis subsistent, comme l’obtention d’une densité plus élevée et la suppression de la croissance des dendrites. Les specialists se précipitent pour répondre au besoin mondial croissant de batteries économes en énergie et sûres.



L’électrification des poids lourds et des avions nécessite des batteries à as well as forte densité énergétique. Une équipe de chercheurs pense qu’un changement de paradigme est nécessaire pour avoir un impression significatif sur la technologie des batteries pour ces industries. Ce changement profiterait du mécanisme de réduction-oxydation anionique dans les cathodes riches en lithium. Les résultats publiés dans Mother nature marquent la première observation directe de cette réaction redox anionique dans un matériau de batterie riche en lithium.

Les institutions collaboratrices comprenaient l’Université Carnegie Mellon, l’Université Northeastern, l’Université de technologie de Lappeenranta-Lahti (LUT) en Finlande et des establishments au Japon, notamment l’Université Gunma, le Japan Synchrotron Radiation Investigation Institute (JASRI), l’Université nationale de Yokohama, l’Université de Kyoto et l’Université Ritsumeikan.



Les oxydes riches en lithium sont des classes de matériaux cathodiques prometteuses automobile il a été démontré qu’ils ont une capacité de stockage beaucoup furthermore élevée. Mais, il existe un  » problème ET  » que les matériaux de la batterie doivent satisfaire  : le matériau doit être capable de se charger rapidement, être secure à des températures extrêmes et cycler de manière fiable pendant des milliers de cycles. Les scientifiques ont besoin de comprendre clairement comment ces oxydes fonctionnent au niveau atomique et comment leurs mécanismes électrochimiques sous-jacents jouent un rôle, pour résoudre ce problème.

Un regard atomique sur les batteries riches en lithium -- ScienceDaily

Les batteries Li-ion normales fonctionnent par redox cationique, lorsqu’un ion métallique adjust d’état d’oxydation lorsque du lithium est inséré ou retiré. Dans ce cadre d’insertion, un seul lithium-ion peut être stocké par métal-ion. Les cathodes riches en lithium, cependant, peuvent stocker beaucoup plus. Les chercheurs attribuent cela au mécanisme d’oxydoréduction anionique – dans ce cas, l’oxydoréduction d’oxygène. C’est le mécanisme crédité de la grande capacité des matériaux, doublant presque le stockage d’énergie par rapport aux cathodes conventionnelles. Bien que ce mécanisme redox soit devenu le principal concurrent parmi les systems de batterie, il représente un pivot dans la recherche en chimie des matériaux.

L’équipe a entrepris de fournir des preuves concluantes du mécanisme redox utilisant la diffusion Compton. Les chercheurs ont effectué des études théoriques et expérimentales sophistiquées au SPring-8, la moreover grande set up de rayonnement synchrotron de troisième génération au monde, exploitée par JASRI.

Le rayonnement synchrotron se compose des faisceaux étroits et puissants de rayonnement électromagnétique qui sont produits lorsque les faisceaux d’électrons sont accélérés à (presque) la vitesse de la lumière et sont forcés de se déplacer dans un chemin incurvé par un champ magnétique. La diffusion Compton devient seen.

Les chercheurs ont observé comment l’orbitale électronique qui se trouve au cœur de l’activité redox anionique réversible et secure peut être imagée et visualisée, et son caractère et sa symétrie déterminés. Cette première scientifique peut changer la donne pour la long term technologie des batteries.

Bien que des recherches antérieures aient proposé des explications solutions du mécanisme redox anionique, elles ne pouvaient pas fournir une graphic claire des orbitales électroniques de mécanique quantique associées aux réactions redox auto cela ne peut pas être mesuré par des expériences conventional.

L’équipe de recherche a eu un « A ha !  » minute où ils ont vu pour la première fois l’accord de caractère redox entre la théorie et les résultats expérimentaux. « Nous avons réalisé que notre analyse pouvait imager les états d’oxygène qui sont responsables du mécanisme redox, ce qui est quelque selected de fondamentalement important pour la recherche sur les batteries », a expliqué Hasnain Hafiz, auteur principal de l’étude qui a effectué ce travail pendant son temps de recherche postdoctorale. associé chez Carnegie Mellon.

« Nous avons des preuves concluantes à l’appui du mécanisme redox anionique dans un matériau de batterie riche en lithium », a déclaré Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie mécanique à Carnegie Mellon.  » Notre étude fournit une impression claire du fonctionnement d’une batterie riche en lithium à l’échelle atomique et suggère des voies pour la conception de cathodes de nouvelle génération pour permettre l’aviation électrique. La conception de cathodes à haute densité énergétique représente la prochaine frontière pour les batteries. «