Alors que le monde réduit sa dépendance aux combustibles fossiles, les industries et les fabricants se tournent vers les batteries lithium-ion pour alimenter les machines qui rendent la vie moderne possible. Ces batteries alimentent les véhicules électriques, les téléphones portables, les drones, les robots aspirateurs et autres machines et seront un élément essentiel de la transmission de puissance.
Mais il y a un problème avec les batteries lithium-ion : à mesure qu’elles vieillissent et se chargent, des dendrites se développent. Une équipe de recherche de l’Université de Houston tente de résoudre le problème des dendrites en étudiant comment ces structures se développent sur des batteries. Les dendrites sont des structures épineuses qui s’accumulent sur les anodes des batteries. Ces structures raccourcissent la durée de vie des batteries, entravent leur capacité à supporter une charge et les courts-circuits peuvent entraîner des risques pour la sécurité des machines, tels que des incendies de batterie.
« En comprenant comment les dendrites se développent sur les batteries, nous pouvons identifier des solutions chimiques et physiques pour empêcher la croissance des dendrites, ce qui est essentiel pour développer la prochaine génération de batteries », Xiaonan Shan, professeur adjoint de génie électrique et informatique à la Collin School of Engineering de l’UH.
Chan et son équipe ont développé un « nouveau microscope 3D in situ » pour imager et étudier les environnements électrochimiques in situ et pour comprendre où les dendrites commencent dans les batteries. À l’aide d’un microscope 3D, de minuscules caméras et d’autres techniques d’imagerie informatique, Chan et son équipe ont pu cartographier géométriquement la façon dont les batteries ont initialement évolué en dendrites.
Les résultats ont été récemment publiés dans la revue matériaux énergétiques avancés.
« C’est important car la plupart des chercheurs sur les batteries utilisent traditionnellement des mesures électrochimiques pour mesurer toute la surface ou la batterie interne, de sorte qu’ils ne savent pas ce qui se passe à l’intérieur de la batterie », a déclaré Chan, un auteur correspondant de l’article. Guangxia Feng, étudiante diplômée en génie électrique et informatique, est l’auteur principal. Il a ajouté que la plupart des fabricants de batteries se concentrent sur la partie matérielle du développement de la batterie, de sorte que les nouveaux matériaux mettent l’accent sur les performances.
« Grâce à ce processus, les fabricants pourraient théoriquement fabriquer des batteries plus performantes en se concentrant sur la conception structurelle des batteries qui inhibe la croissance des dendrites », a noté Chan. « Dans la prochaine étape, nous utiliserons cette technologie pour concevoir des batteries au zinc (zinc-carbone) très efficaces. »
Les auteurs rejoignant Shan et Feng sur l’article sont Jiaming Guo, Yaping Shi, Xiaoliang, Xu Yang et David Mayerich, tous du département de génie électrique et informatique de l’UH ; et Huajun Tian, Zho Li et Yang Yang de l’Université de Floride centrale.
magazine
matériaux énergétiques avancés
méthode de recherche
analyse d’imagerie
sujet de recherche
Ne peut pas être appliqué
Le titre de l’article
Sondez les influences environnementales électrochimiques localisées et la dynamique d’interaction des électrodes des batteries métalliques à l’aide de la microscopie ponctuelle 3D.
La date de publication de l’article
16 décembre 2021
Déclaration de conflit d’intérêts
La croissance incontrôlable des dendrites est étroitement liée à des environnements de réaction erratiques. Cependant, il y a un manque de compréhension et de méthodes d’analyse pour sonder l’environnement électrochimique local (LEE). Ici, les effets de LEE, y compris les concentrations d’ions localisées, la densité de courant et le potentiel électrique, sur la dynamique de revêtement/décapage et la réduction de débranchement sont étudiés. Une nouvelle technique de microscopie 3D in situ a été développée pour visualiser la dynamique morphologique et la vitesse de dépôt des processus de revêtement/décapage de zinc sur les anodes 3D Zn-Mn. À l’aide d’une microscopie 3D in situ, les changements de morphologie des électrodes au cours des réactions sont directement imagés et des cartes de taux de dépôt de Zn sont obtenues à différents moments. On constate que la cinétique de la réaction est étroitement liée au LEE et à la morphologie des électrodes. Pour estimer davantage les effets de LEE, une technique de jumeau numérique est utilisée qui permet un calcul précis des environnements électrochimiques, tels que les concentrations d’ions localisées, la densité de courant et le potentiel électrique, qui ne peuvent pas être mesurés directement à partir d’expériences. On constate que la courbure de la surface de l’électrode 3D détermine le LEE et influence de manière significative la cinétique de la réaction. Cela fournit une nouvelle stratégie pour réduire la formation de dendrites en concevant et en optimisant la géométrie 3D de l’électrode de commande LEE.
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