Étudier le cyclage des batteries sur la ligne de lumière

Au cours de son doctorat. avec TUoS, Innes McClelland, étudiante en développement d’installations ISIS, a développé une cellule pour tester les matériaux de batterie pendant leur fonctionnement à l’aide de la spectroscopie muonique et l’a utilisée pour étudier un matériau de cathode de plus en plus vital.

Comprendre ce qui se passe à l’intérieur d’un matériau de batterie pendant qu’il se charge et se décharge est essentiel pour améliorer les performances des batteries existantes et développer de nouveaux matériaux à utiliser dans les batteries du futur.

Un matériau de cathode qui s’avère de plus en plus vital pour les futures batteries est LiNi_0,8Mn_0,1Co_0,1O₂, connu sous le nom de NMC811. Ce matériau a une capacité élevée, mais subit souvent une perte de capacité irréversible entre la première charge et la première décharge. On pense que cette perte de capacité peut être due à des barrières cinétiques à la diffusion des ions lithium dans le matériau. La compréhension de ce problème pourrait conduire à des informations qui éclairent la conception d’alternatives nouvelles et améliorées.

La spectroscopie des muons est un excellent outil pour étudier ces matériaux car elle permet de sonder la diffusion d’ions tels que le lithium et le sodium à l’échelle locale, en évitant largement les effets d’interface ou de joints de grains. Des expériences antérieures sur les muons sur des matériaux de batterie ont étudié les composants individuellement, à l’extérieur d’une batterie. Bien que ceux-ci soient utiles pour comprendre les propriétés fondamentales, ils manquent d’un aperçu du comportement des matériaux pendant le fonctionnement.

Dans le cadre de sa bourse d’études en développement d’installations ISIS, le Dr Innes McClelland a conçu une cellule qui serait capable de faire exactement cela. Travaillant en collaboration avec son co-superviseur, le scientifique des lignes de faisceau Peter Baker et les ingénieurs de l’ISIS, son superviseur, le professeur Serena Cussen de l’Université de Sheffield et ses collègues du projet de cathode de nouvelle génération de l’Institut Faraday FutureCat, il a pu concevoir une cellule pour faire l’operando mesures par spectroscopie des muons.

Comme expliqué dans leur récent article, publié dans Chimie des matériaux, le groupe a pu utiliser cette cellule pour étudier NMC811 afin d’étudier ce qui pourrait être à l’origine de son manque de cyclabilité répétée. En utilisant la nouvelle configuration, ils ont pu mesurer les caractéristiques de diffusion du lithium dans le matériau en plus de 70 points au cours du premier cycle. Ils ont constaté que la diffusion du lithium était, comme prévu, plus rapide à un état de charge plus élevé, mais qu’elle ne revenait jamais à la même valeur que dans l’échantillon vierge.

Fait intéressant, en combinant les différentes propriétés de mesure de la spectroscopie des muons avec des méthodes électrochimiques, ils ont pu voir que cette diffusion lente était plus répandue à la surface de la cathode, plutôt que dans le matériau en vrac. Cela suggère que les processus qui se concentrent sur la stabilisation de la surface du matériau sont susceptibles de mieux réussir à améliorer ses propriétés.

“Le développement passionnant de la spectroscopie des muons operando ouvre un large éventail d’opportunités aux chercheurs travaillant sur les matériaux de stockage d’énergie, permettant une perspective unique de diffusion ionique depuis l’intérieur des matériaux eux-mêmes pendant leur fonctionnement”, explique Innes.

Il ajoute : “J’attends avec impatience de voir de futures études qui peuvent développer le domaine vers une variété de chimies de batterie.”