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Recherche sur les batteries

Overcoming challenges in battery research with novel characterization solutions

Vue d'ensemble

Vue d'ensemble

La génération et le stockage d’énergie liés aux applications requièrent certaines des initiatives de développement des matériaux les plus complexes à l’heure actuelle pour répondre aux objectifs d’efficacité et de fiabilité. De nos jours, de nombreux dispositifs électroniques allant d’ordinateurs portables à des smartphones sont alimentés par des batteries lithium-ion (li-ion) rechargeables et pourraient bientôt également s'étendre à de nombreux autres domaines. Cela va du transport à l’adoption des véhicules électriques en passant par le développement continu. De nouveaux matériaux sont développés en continu ce qui transforme notre façon de capturer, de transmettre et de stocker l’énergie.

La performance de n’importe quelle batterie, que ce soit en termes de capacité, de durée de vie ou de densité énergétique, dépend finalement essentiellement des propriétés intrinsèques des matériaux qui composent son anode, sa cathode, son électrolyte et sa SEI (interface électrolyte solide). Bruker a développé un ensemble complet de techniques de caractérisation pour permettre aux scientifiques de comprendre et d'optimiser les propriétés physiques et chimiques, la performance et la stabilité de tous les composants de batterie et des éléments de batterie complètement assemblés.

Continuer à lire pour apprendre comment la microscopie à force atomique, la spectroscopie IRTF, les tests nanomécaniques et les techniques de diffraction de rayons X font la lumière sur le fonctionnement des matériaux de stockage d'énergie.

Caractérisation in situ

Caractérisation in situ

Spectroélectrochimie IRTF

Étude des solutés et de l’électrode

Les chercheurs peuvent surveiller in situ le processus électrochimique dans les solutés et les électrodes d’un système de modèle de batterie au niveau du laboratoire. Ces systèmes de modèle ne sont pas des produits de batterie prêts. Néanmoins, il est possible de régler les matériaux de la cathode et de l’anode, la composition de l’électrolyte, la température, etc. pendant un cycle de tension programmé. La spectroscopie IRTF est synchronisée avec une réaction électrochimique. Cela permet de récupérer le spectre IR sur le temps/le potentiel. La spectroscopie IRTF combinée à l’électrochimie permet d'avoir des connaissances sur le changement moléculaire et le processus de réaction des molécules étudiées en plus de la réaction électrochimique de l’expérience.

Diffraction des rayons X in situ/in operando

Suivre le comportement des éléments de batterie pendant le cycle

Pendant la charge/décharge, la cathode et l’anode de chaque élément de batterie subissent des changements permanents, p. ex. en raison de l’insertion de cations-lithium. La diffraction des rayons X (XRD) permet de suivre simultanément la composition des phases changeantes et l’évolution de la structure du cristal. Cela permet aux chercheurs de comprendre les nouveaux matériaux de stockage d’énergie à un niveau atomique, de suivre la réaction qui se produit pendant le cycle et de surveiller le comportement de dégradation pour améliorer la performance des batteries.

Nos diffractomètres de rayons X supportent votre recherche et votre développement dans des matériaux de batterie, de l’analyse ex situ des matériaux isolés de la cathode et de l’anode à l'analyse in operando des piles plates complètement fonctionnelles.

Microscopie à force atomique électrochimique in situ

Observation de la croissance dendritique de lithium in situ

La croissance dendritique de lithium est l’un des plus gros problèmes touchant à la sécurité des batteries lithium-ion. Mais il est difficile de sonder les étapes initiales de la croissance dendritique en raison de la nature réactive et  fragile des composants de lithium, notamment lors de l’étude de la croissance au niveau de la SEI.

La microscopie électrochimique à force atomique permet de détecter l'évolution morphologique de la surface de l’électrode sous contrôle potentiel. Ces expériences révèlent différents dépôts de lithium sur le graphite pour différentes électrolytes, offrant une meilleure compréhension du mécanisme sous-jacent de la croissance dendritique dans les batteries au lithium.

Energy Dispersive Spectrometers in Electron Microscopy

Elemental mapping in lead-acid battery electrodes

Lead-acid batteries (accumulators) are rechargeable devices for storing electric energy generated by electrochemical processes. The batteries consist of electrodes made of lead (Pb) and lead dioxide (PbO2) and dilute sulfuric acid (37% H2SO4) as electrolyte. During discharge of lead-acid batteries, finely dispersed lead sulfate (PbSO4) forms on electrodes in a process that is reversed by recharging. X-ray element maps are ideal for investigating the nature and spatial distribution of sulfation deposits.

Energy dispersive spectrometry (EDS) using an electron microscope offers element mapping of battery components in a quick overview. Specific element combinations, such as sulfur and lead are better studied by WDS.

Analyse des défaillances et ex situ

Analyse des défaillances et ex situ

Test nanomécanique des batteries

Augmentation de la sécurité des batteries

Un dommage mécanique, y compris la rupture fragile des électrodes et la pénétration du séparateur, peut entraîner la libération de l’énergie stockée, avec des conséquences dramatiques comme l’embrasement des batteries. De plus, des défauts de revêtements, un gonflement et une rigidité d’origine mécanique (ou ionique), des efforts mécaniques et des dommages de cycles multiples de charge/décharge posent des défis majeurs pour le développement et l’intégration des nouveaux appareils. C’est pourquoi pour des raisons de sécurité et de performance, il est nécessaire de comprendre les performances mécaniques de ces appareils à l’échelle de grandeur appropriée.

Les tests nanomécaniques des matériaux de batterie donnent une caractérisation quantitative pour de nouveaux matériaux et de meilleures connaissances pour améliorer les performances mécaniques.

Recherche sur les batteries par la microscopie Raman

Analyse du carbone dans des électrodes flexibles

Les batteries utilisant des cathodes basées sur LiFePO4 (LFP) sont connues pour être très sûres et ne présentent pas de risque de fuite thermique, mais ont néanmoins une faible conductivité électrique qui limite la performance à des taux de charge/décharge élevés. Un revêtement de carbone très fin sur les particules LFP peut améliorer sa conductivité. La spectroscopie Raman permet d'étudier la stabilité anodique des matériaux de cathode avec un revêtement carbone afin d’apporter la preuve de l’homogénéité du revêtement.

Tous les composants d'une batterie comme les matériaux d'anode/cathode et les électrolytes peuvent être analysés avec une résolution latérale très élevée à l’aide de la microspectrocopie Raman à la fois ex situ et in situ. Le carbone est largement utilisé dans les batteries. Le spectre Raman peut servir à distinguer ses allotropes et à fournir de plus amples informations comme la concentration du défaut.

Imaging Batteries and Fuel Cells with X-Ray Microscopy

Verify structural integrity and research microstructure of electrodes

X-ray microscopy enables to non-destructively visualize the internal 3D structure of batteries and fuel cells. XRM is therefore a great tool to help understanding failure mechanisms by monitoring the internal alignment of components such as electrode separation over the battery life time, or in stress tests.

The electrode microstructure of modern high-performance batteries such as Li-ion batteries significantly impacts key properties such as cycle life time and capacity. A lot of efforts therefore go into careful optimization of processing parameters to tease out the best battery performance. XRM as multi-scale analysis technique supports advanced battery research since it can reveal at high resolution the microstructure of the individual anode and cathode layers.

PR44 button cell scanned with SKYSCAN 1275, 8 µm voxel size.

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