Des faisceaux de rayons X en mouvement rapide offrent un aperçu des mécanismes de défaillance des batteries à état solide.
Le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) teste une formulation de batterie à état solide en la soumettant à un accélérateur de particules à haute énergie pour révéler les mécanismes de défaillance potentiels. Ces informations orienteront le développement d’électrolytes sodium plus durables pour soutenir la transition énergétique renouvelable.
La batterie de l’ORNL transfère des ions sodium à travers un électrolyte solide compact, contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles qui stockent et déchargent l’énergie avec un électrolyte liquide ou en gel.
Les batteries à état solide au sodium offrent une densité d’énergie plus élevée, une gestion thermique plus sûre et une durée de cycle plus longue que leurs homologues à base de lithium. Les électrolytes sodium (Na) présentent également une conductivité supérieure de 15 % et une diffusivité supérieure de 14 %, avec de meilleures propriétés de transport des ions.
Les chercheurs de l’ORNL ont sélectionné des matériaux de conducteur superionique Na (NaSICON) pour leur batterie à état solide. Les NaSICON ont une structure cristalline avec deux sites Na pour un transport ionique efficace. Ces matériaux offrent une conductivité ionique à température ambiante accrue et une stabilité électrochimique – deux avantages essentiels pour les applications de stockage d’énergie.
Les expériences menées au sein de l’installation Advanced Photon Source du Laboratoire national d’Argonne, basé en Illinois, ont permis de déverrouiller une vue au niveau atomique des mécanismes internes de la batterie. L’installation accueille des sources de lumière X qui envoient des électrons à travers un anneau de stockage voyageant près de la vitesse de la lumière.
Installation de fabrication de batteries de l’ORNL. Image utilisée avec la permission de ORNL
Une batterie à état solide hautement conductrice
Lors des recherches précédentes, l’équipe de l’ORNL visait à améliorer la stabilité ionique et la conductivité des matériaux NaSICON par le dopage, la conception d’anodes composites et la régulation des interfaces. Ils ont développé une cellule symétrique Na dotée d’un électrolyte solide Na3Zr2Si2PO12 dopé au titane (Ti-NZSP). Une étude Advanced Science de l’année dernière a démontré la stabilité de surface améliorée, la conductivité ionique et la densité de courant critique de la batterie.
L’équipe a choisi une configuration de carbone dur Na pour le compartiment de l’anode de la batterie, en introduisant des dopants sur mesure dans la membrane électrolytique solide de type NZSP. Le dopage au TiO2 a permis d’obtenir une pastille plus densément empaquetée avec une structure poreuse distribuée pour soutenir la conductivité ionique améliorée et la densité de courant critique. Des tests ont également démontré une performance cyclique stable, offrant des capacités réversibles basées sur divers mécanismes de stockage de Na.
“A” illustre le rôle des dopants dans la batterie sodium de l’ORNL. “B” et “C” montrent des vues de haut en bas et en coupe de la pastille NZSP. “D” montre la distribution de l’aluminium dans la structure Al-NZSP. “E” et “F” décrivent l’aluminium-NZSP pur. “G” cartographie la distribution de Ti dans le Ti-NZSP, tandis que “H” et “I” affichent le matériau Ti-NZSP pur. Image utilisée avec la permission de Li et al. (Figure 1)
Pour la prochaine phase de recherche, l’équipe devait comprendre comment leur électrolyte solide pouvait échouer dans des conditions de forte demande, telles que le placage/décapage aggravé. Cela nécessitait l’induction de courants et de tensions élevés sous un faisceau de rayons X en utilisant les outils de tomographie synchrotron de l’Advanced Photon Source.
Mécanismes de défaillance dans les électrolytes à état solide
Les chercheurs de l’ORNL souhaitaient étudier le fonctionnement interne de leur batterie afin d’identifier des solutions pour limiter la formation de dendrites de Na et les problèmes d’intégrité.
L’accélérateur de particules Advanced Photon Source. Image utilisée avec la permission de Laboratoire national d’Argonne
Le laboratoire Advanced Photon Source d’Argonne est équipé de systèmes d’imagerie à rayons X synchrotrons operando qui surveillent les changements de phase lors du chauffage, offrant aux chercheurs une vue unique sur les mécanismes de défaillance potentiels, la croissance de dendrites et les problèmes de remplissage des pores dans les électrolytes à état solide.
Des expériences sous des conditions opérationnelles exigeantes ont révélé que des ions se déposaient dans les pores sur l’électrolyte dopé au Ti-NZSP, formant des structures susceptibles de provoquer des courts-circuits. Plus précisément, le mécanisme de défaillance de la cellule implique un remplissage de pore Na moins réversible qui génère des dépôts mortels et, par conséquent, un court-circuit de la cellule.
Les chercheurs de l’ORNL découvrent les mécanismes de défaillance des électrolytes à état solide. Image utilisée avec la permission de ORNL
Un chercheur a observé que des filaments de Na se développent au sein de l’électrolyte solide, contrairement aux matériaux à base de lithium.
L’équipe a détaillé ses découvertes dans un article de Batteries & Supercaps. Des études futures modifieront l’électrolyte pour favoriser des durées de stockage plus longues.