L’équipe emprunte ses connaissances à l’industrie des semi-conducteurs pour fabriquer de meilleures batteries

Une methodology de revêtement utilisée depuis longtemps dans los angeles fabrication de puces informatiques peut permettre à une batterie d’être chargée plusieurs fois au cours de sa durée de vie et rend sa fabrication beaucoup plus facile. Les scientifiques du Laboratoire nationwide d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont adapté avec succès cette technologie pour l’utiliser avec des batteries à semi-conducteurs, qui sont des batteries constituées uniquement de matériaux solides.

L’étude publiée dans Matériaux avancés, est los angeles première démonstration de cette technologie, connue sous le nom de dépôt de couche atomique, sous los angeles forme d’une poudre d’électrolytes solides contenant du soufre. Les électrolytes sont des matériaux qui transfèrent des ions (molécules chargées) entre les électrodes d’une batterie, convertissant ainsi l’énergie chimique en électricité.

Un solide prometteur, mais avec des défis

Les batteries à semi-conducteurs offrent plusieurs avantages potentiels par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles à électrolytes liquides : une sécurité améliorée, los angeles capacité de stocker plus d’énergie par unité de quantity et los angeles possibilité de charger plus de fois au cours de leur durée de vie. Ces avantages sont idéaux pour les batteries de véhicules électriques.

L’étude d’Argonne s’est concentrée sur l’argyrodite, une classe d’électrolytes solides contenant du soufre. L’argyrodite présente plusieurs avantages par rapport aux autres électrolytes solides. Ils ont une conductivité ionique plus élevée, ce qui signifie qu’ils peuvent déplacer les ions plus rapidement dans los angeles batterie. Cela pourrait se traduire par un taux de recharge plus rapide pour les véhicules électriques. L’argyrodite est également plus facile et moins chère à transformer en granulés qui seront finalement utilisés dans les batteries.

Mais l’argyrodite présente des défis de fabrication. Parce qu’ils sont très réactifs avec l’air, ils peuvent être difficiles à manipuler dans une usine de manufacturing de batteries. De plus, ils réagissent facilement avec les matériaux d’électrode tels que le lithium métallique. Les réactions produisent des produits chimiques qui dégradent los angeles qualité des interfaces électrolyte/électrode. Les interactions peuvent également ralentir le shipping des ions lithium, réduire les performances de los angeles batterie et provoquer los angeles formation de dendrites. Les dendrites sont des buildings de lithium en forme d’aiguilles qui rendent les batteries moins sûres et moins durables.

Pour relever ces défis, les chercheurs d’Argonne ont souhaité développer une nouvelle méthode permettant de modifier avec précision los angeles chimie de floor de l’argyrodite. Pour que cette méthode soit pratique, elle doit être facile à mettre en œuvre dans des installations de fabrication de batteries réelles. Ils ont décidé d’adapter le dépôt de couches atomiques de l’industrie de manufacturing de puces. Cette méthode de revêtement implique l’utilisation de vapeurs chimiques qui réagissent avec los angeles floor du solide pour former une high-quality couche.

“Los angeles floor de l’électrolyte solide joue un rôle essentiel dans los angeles façon dont les électrolytes et les électrodes interagissent dans une batterie”, a déclaré Justin Connell, un scientifique des matériaux d’Argonne qui dirige le projet. “Cette méthode nous permet de concevoir los angeles construction de floor au niveau atomique. Nous pensons que ce niveau précis de contrôle est essentiel pour améliorer les performances des batteries à semi-conducteurs.”

Los angeles technologie de revêtement a prouvé son efficacité

L’équipe d’Argonne a utilisé le dépôt de couches atomiques pour encapsuler un électrolyte argyrodite sous forme de poudre. D’autres chercheurs ont déjà utilisé cette methodology pour encapsuler l’argyrodite après avoir transformé los angeles poudre en pastilles. Mais les chercheurs d’Argonne ont réalisé qu’ils devaient aborder le problème différemment pour intégrer le dépôt de couches atomiques dans los angeles fabrication à grande échelle de batteries à semi-conducteurs.

“Il sera difficile de mesurer le revêtement des pellets automotive ils sont fragiles”, a déclaré Connell. « Les pellets doivent également être conditionnés par loads, ce qui augmente les coûts de fabrication. »

Les chercheurs ont chauffé los angeles poudre et l’ont exposée à los angeles vapeur d’eau et au triméthylaluminium, créant ainsi une high-quality couche d’alumine (oxyde d’aluminium) sur toutes les molécules d’électrolyte individuelles. À l’Complicated Photon Supply d’Argonne, l’équipe a utilisé une methodology de caractérisation appelée spectroscopie d’absorption des rayons X pour déterminer que le revêtement ne perturbait pas los angeles composition chimique de l’argyrodite sous-jacente. Cette methodology consiste à éclairer le matériau avec un rayonnement synchrotron intense et à mesurer los angeles transmission et l’absorption des rayons X dans le matériau.

Au Centre d’Argonne pour les nanomatériaux, les chercheurs ont utilisé deux tactics pour déterminer si les revêtements épousaient bien les contours des molécules d’électrolyte individuelles. Los angeles première methodology, connue sous le nom de microscopie électronique à transmission par balayage, permet de créer des photographs de los angeles construction d’un matériau à l’aide d’un faisceau d’électrons focalisé.

Los angeles deuxième methodology, appelée spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie, évalue les éléments présents dans le matériau. Cela a été réalisé en détectant les rayons X émis par les électrons utilisés dans los angeles methodology du microscope électronique à transmission et à balayage. En étant bien compatibles avec les profils d’électrolyte, les revêtements peuvent permettre un touch plus cohérent et plus intime entre l’électrolyte et les électrodes, ce qui est essentiel pour de bonnes performances de los angeles batterie.

Les chercheurs ont également constaté que les revêtements réduisaient considérablement l’interplay de los angeles poudre avec l’air. Cela facilite le traitement de los angeles poudre dans les installations de fabrication à grande échelle.

Ensuite, les chercheurs ont compressé les poudres enrobées en pastilles et ont intégré les pastilles dans une cellule de batterie à l’échelle du laboratoire avec une anode (électrode négative) en lithium métal. Ils ont chargé et déchargé à plusieurs reprises cette batterie ainsi qu’une autre batterie fabriquée à partir d’électrolytes non revêtus, et ont comparé leurs performances.

De nombreux avantages de los angeles peinture, dont un inattendu

L’équipe a constaté que le revêtement réduisait considérablement los angeles réaction de l’électrolyte avec l’anode au lithium. Cela réduit également le taux de fuite des électrons de l’électrolyte. Ceci est vital automotive on pense que les fuites d’électrons déclenchent des réactions qui forment des dendrites.

“Pour des performances optimales du véhicule électrique, les électrons générés par les réactions chimiques de los angeles batterie – l’électricité – doivent passer des électrodes au moteur du véhicule”, a déclaré Jeffrey Elam, chimiste en chef à Argonne et l’un des auteurs de l’étude.

L’équipe a remarqué un avantage inattendu du revêtement : il a doublé los angeles conductivité ionique de l’électrolyte.

“Comme l’alumine est un isolant – une substance qui ralentit le mouvement des fees – nous ne nous attendions pas à cette amélioration de los angeles conductivité”, a déclaré Zachary Hood, scientifique des matériaux à Argonne et auteur most important de l’étude.

Ensemble, les avantages du placage peuvent augmenter considérablement le nombre de fois où une batterie à semi-conducteurs peut être chargée et déchargée avant que ses performances ne commencent à se dégrader.

Les chercheurs pensent que le revêtement permet à l’électrolyte d’entrer mieux en touch avec l’anode, de los angeles même manière qu’une goutte d’eau se répand sur une floor de verre propre.

“Nous pensons que le revêtement redistribue les ions lithium à los angeles floor de l’électrolyte et crée davantage d’espaces vides le lengthy de los angeles floor pour le passage des ions”, a déclaré Peter Szapol, physicien d’Argonne et l’un des auteurs de l’étude. “Ces facteurs peuvent aider à expliquer l’amélioration de los angeles conductivité.”

Le succès de l’étude ouvre une nouvelle ligne de recherche. Les scientifiques peuvent utiliser los angeles methodology de revêtement avec différents électrolytes et revêtements, ce qui pourrait conduire au développement d’un massive éventail de applied sciences de batteries à semi-conducteurs.

Les autres auteurs de l’étude sont Anil Mani, Aditya Sundar, Sanja Tebacevic, Udochukwu Eze, Sheba Adhikari, Ongji Lee et George Sterbinski.