Étudier le cycle de la batterie sur la ligne de rayonnement

pendant le doctorat. Avec TUoS, une étudiante en développement d’installations ISIS, Innes McClelland, a développé une cellule pour tester les matériaux de batterie en fonctionnement à l’aide de la spectroscopie muonique et l’a utilisée pour étudier le matériau de cathode en bio-croissance.

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

Un matériau de cathode qui s’avère de plus en plus important pour les futures batteries est LiNi_0,8Minnesota_0,1partenaire_0,1une₂, 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 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 peut conduire à des idées qui aident à concevoir des 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 les joints de grains. Des expériences antérieures sur les muons avec des matériaux de batterie ont examiné les composants individuellement à l’extérieur de la batterie. Bien qu’utile pour comprendre les propriétés de base, il manque d’informations sur le comportement des matériaux pendant le fonctionnement.

Dans le cadre d’une subvention pour moderniser ses installations ISIS, le Dr Ennis McClelland a conçu une cellule qui pourrait faire exactement cela. Travaillant en collaboration avec son co-superviseur en science des faisceaux Peter Baker, des ingénieurs d’ISIS, son superviseur le professeur Serena Kosin à l’Université de Sheffield et des collègues du projet de cathode de nouvelle génération FutureCat de l’Institut Faraday, il a pu concevoir une cellule pour réaliser mesures de spectroscopie muonique opérationnelle.

Comme décrit dans leur article récent, publié dans Chimie des matériaux, le groupe a pu utiliser cette cellule pour étudier NMC811 afin d’étudier ce qui pourrait provoquer la répétition de cette défaillance du cycle. En utilisant la nouvelle configuration, ils ont pu mesurer les propriétés de diffusion du lithium dans le matériau de plus de 70 points au cours du premier cycle. Ils ont constaté que, comme prévu, la diffusion du lithium était plus rapide dans un état de charge plus élevé, mais qu’elle n’a jamais retrouvé la même valeur que dans l’échantillon d’origine.

Fait intéressant, en combinant les différentes propriétés de mesure de la spectroscopie des muons et des méthodes électrochimiques, ils ont pu voir que cette diffusion lente était plus diffuse à la surface de la cathode, plutôt que dans le matériau en vrac. Cela indique 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 obando-muon ouvre un large éventail d’opportunités aux chercheurs travaillant sur les matériaux de stockage d’énergie, permettant une perspective unique sur la diffusion ionique à partir des matériaux eux-mêmes pendant le fonctionnement », explique Innes.

Il ajoute : « J’ai hâte de voir de futures études qui peuvent faire progresser le domaine vers une variété de chimies de batterie. »