Imagerie des changements de distribution de potentiel séquentiels dans les électrodes pendant la charge / décharge

NIMS a réussi pour la première fois à visualiser les changements séquentiels dans la distribution du potentiel électrique à travers une électrode composite lors des réactions de charge / décharge dans les batteries lithium-ion à l’état solide. Cette distribution n’était auparavant mesurable qu’avant et après l’apparition de réactions de charge / décharge. La compréhension microscopique des mécanismes de réaction de charge / décharge dans les électrodes peut faciliter la conception de nouveaux appareils capables d’améliorer les performances des batteries lithium-ion à l’état solide.

La batterie lithium-ion à semi-conducteur est une candidate prometteuse pour la prochaine génération de batteries en raison de ses excellentes propriétés de sécurité et cycliques. Ses performances doivent encore être améliorées avant de pouvoir être mises en pratique. Les causes de la dégradation des performances doivent être identifiées par une analyse approfondie des réactions électrochimiques se produisant dans les électrodes pendant la charge et la décharge. En 2016, cette équipe de recherche a développé une technique permettant l’observation in situ des changements de potentiel électrique des électrodes à haute résolution spatiale. Cependant, un grand intérêt existait dans le développement de nouvelles techniques qui permettraient des analyses plus détaillées: mesure séquentielle (dynamique) des changements dans la distribution du potentiel électrique à travers une électrode pendant la charge / décharge.

Cette équipe de recherche a récemment développé une nouvelle technique capable de visualiser les changements séquentiels (dynamiques) de la distribution du potentiel électrique dans les batteries en combinant un système de mesure électrochimique avec des techniques développées précédemment (microscopie à force de sonde Kelvin in situ et une technique utilisée pour préparer la batterie en coupe transversale échantillons). L’équipe a ensuite utilisé cette nouvelle technique combinée pour observer les réactions de charge / décharge en action dans des cathodes composites dans des batteries lithium-ion à l’état solide (échantillons expérimentaux fournis par Taiyo Yuden Co., Ltd.). En conséquence, l’équipe a constaté que les réactions de charge s’étendent de manière inégale à travers la cathode composite du côté collecteur de courant au côté anode, tandis que les réactions de décharge se répartissent uniformément à travers la cathode. Ces résultats indiquent la formation d’un réseau de chemin conducteur électronique inadéquat dans la cathode composite au cours d’un processus de charge.

La technique développée dans cette recherche est applicable à diverses évaluations de batteries, y compris une analyse approfondie des causes de la dégradation des performances des batteries, qui ont été difficiles à déterminer à l’aide de mesures électrochimiques conventionnelles. Cette technique peut aider les développeurs de batteries à optimiser leurs structures et à concevoir des batteries plus performantes.