Caractérisation des Matériaux pour électrodes au lithium-ion et ion sodium utilisant des techniques de rayonnement synchrotron

L'objectif général de l'expérience suivante est d'étudier les changements structuraux dans les électrodes subissant un cyclage dans les batteries en temps réel. Cela est réalisé en assemblant des cellules d'essai modifiées de manière à ce que les processus électrochimiques puissent être étudiés sur une ligne de lumière d'un dispositif de rayonnement de synchrotron pendant que les dispositifs sont soumis à des cycles de charge et de décharge. Dans un deuxième temps, des données sont recueillies sur les cellules d'essai sur la ligne de lumière en fonction du temps et des conditions de fonctionnement.

Ensuite, les données sont traitées et analysées afin d'observer les changements structuraux qui se produisent en fonction de l'état de charge. Les résultats obtenus fournissent des informations sur le fonctionnement des électrodes, notamment les changements de phase et les processus de dégradation, grâce à l'affinement des données de diffraction et à leur interprétation. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes conventionnelles existantes, comme la diffraction des rayons X sur poudre, réside dans une intensité du signal nettement plus élevée et un temps d'acquisition beaucoup plus rapide, permettant ainsi une acquisition rapide des données.

Cela nous permet de surveiller les dispositifs en temps réel. Des méthodes in situ durant les processus de charge et de décharge peuvent aider à répondre à des questions essentielles dans le domaine des batteries. Les performances, la durée de vie et la sécurité des batteries dépendent toutes du maintien de l'intégrité chimique et physique des composants de la batterie.

En tournant, les techniques de diffraction des rayons X nous permettent d'obtenir des informations sur les changements de structure, les transitions de phase et la formation d'impuretés pendant le fonctionnement des batteries. Cela peut avoir des conséquences importantes sur les performances. Je suis scientifique en ligne de faisceau dans une installation synchrotron.

Je collabore avec des scientifiques spécialisés en batteries pour concevoir et étudier des expériences, aider à la collecte des données, à leur analyse et à l'interprétation finale des résultats. La démonstration visuelle de cette méthode est utile, car les détails de l'assemblage de la cellule sont essentiels à la réussite de l'expérience. Nous souhaitons garantir que l'expérience soit représentative de batteries à plus grande échelle fonctionnant dans des conditions réelles.

Les procédures seront démontrées par les docteurs Ang, Hong Yi et Mona, associées postdoctorales au Lawrence Berkeley National Laboratory, Lei Chang, étudiante diplômée, et le Dr. Guang Chen, scientifique au laboratoire. La première étape consiste à caractériser le matériau d'intérêt à l'aide de la diffraction des rayons X sur poudre.

Préparez deux à trois grammes d'échantillon en broyant la poudre et en la tamisant pour garantir une distribution uniforme de la taille des particules. Pour cette expérience, le nickel, le manganèse, le cobalt ou le NMC est utilisé pour assurer la meilleure disposition de la poudre.

Retirez la plaque arrière du porte-échantillon du diffractomètre aux rayons X. Placez le porte-échantillon contre une lame de verre et remplissez la cavité avec la poudre d’échantillon. Réattachez la plaque arrière, retournez le porte-échantillon et retirez la lame.

Insérez maintenant le porte-échantillon dans le réfractomètre et alignez-le correctement. Une fois cette opération terminée, fermez les portes de l'appareil, réglez les paramètres appropriés pour la réfractométrie et lancez l'analyse. Une fois l'acquisition des données terminée, analysez le profil pour identifier la présence d'impuretés et déterminer s'il correspond à celui des matériaux de référence ou des profils calculés.

Une fois correctement effectué, arrêtez le réfractomètre et retirez l'échantillon ; les morphologies des particules sont alors déterminées à l'aide de la microscopie électronique à balayage, ou MEB. Préparez l'échantillon pour la MEB en fixant un ruban de carbone sur un support en aluminium.

Ensuite, saupoudrer la poudre sur le côté collant. S'assurer que l'ensemble est non magnétique en maintenant un aimant de cuisine au-dessus de l'échantillon. Puis, insérer l'échantillon dans la chambre du MEB par l'éclusage à air et commencer la mise sous vide.

Une fois le vide établi, activez la tension d'accélération. Travaillez en mode faible grossissement et utilisez le bouton de contraste et de luminosité automatiques pour ajuster l'image. Repérez une zone d'intérêt en explorant manuellement selon les directions X et Y.

Après avoir repéré une zone, choisissez le mode MEB. Sélectionnez le détecteur, puis réglez la distance de travail nécessaire, suivie du contraste et de la luminosité.

Nettoyez l'image à l'aide de la commande Z. Alignez le faisceau et corrigez l'astigmatisme et la mise au point. À l'aide des commandes X et Y, prenez les images souhaitées et enregistrez-les.

Lorsque l'opération est terminée, arrêtez le MEB et retirez l'échantillon par l'éclusa d'air. Commencez par préparer une solution contenant cinq à six pour cent en poids de fluorure de polyvinyle iodé. Ensuite, mélangez 240 milligrammes de NMC, le matériau actif, et 30 milligrammes de noir d'acétylène, un additif conducteur, dans un broyeur. Mélangez ce mélange à 300 tr/min pendant deux heures.

Une fois le broyage terminé, prenez 180 milligrammes du mélange broyé et ajoutez 0,4 millilitre de la solution de NMP. Ensuite, préparez une règle d'application avec le matériau du collecteur de courant, dans ce cas une feuille d'aluminium revêtue de carbone. Utilisez la règle d'application pour déposer la pâte d'électrode sur le collecteur de courant.

Retirez les électrodes et commencez le processus de séchage. Pour cette vidéo, une lampe chauffante est utilisée avant le séchage.

Voici à quoi ressemblent les électrodes. Voici à quoi elles ressemblent après environ 30 minutes sous la lampe chauffante. À ce stade, découpez-les ou percez-les à la taille nécessaire pour une utilisation dans une pile bouton.

Peser chacune des électrodes. Transférer les électrodes dans une boîte à gants sous atmosphère inerte équipée d'une chambre anti vide chauffée. Utiliser la chambre anti pour effectuer une étape supplémentaire de séchage de 12 heures afin d'éliminer toute l'humidité résiduelle.

Les électrodes sont désormais prêtes à être utilisées dans une pile bouton. Découpez la feuille de lithium et le séparateur microporeux à la taille souhaitée. Rassemblez tous les composants nécessaires dans l'atmosphère intérieure.

Boîte à gants pour le montage dans une pile bouton. Superposez maintenant les composants dans la cellule. Placez d'abord l'électrode, suivie du séparateur, de la solution électrolytique, puis de la feuille scellée à l’aide d’une presse pour pile bouton destinée à une expérience de diffraction des rayons X en NC deux.

Fixer des languettes sur chaque côté de la cellule. Sceller ensuite l'appareil dans un sachet en polyester pour cette partie de l'expérience. Réserver un temps de faisceau dans une installation de synchrotron.

Transportez en toute sécurité l'échantillon jusqu'au lieu de l'expérience et préparez-vous pour celle-ci. Commencez par étalonner le faisceau afin de déterminer les conditions appropriées. Ensuite, mesurez un motif de référence de l'hydrure de lanthane.

Retournez au point d'accès de la ligne de faisceau. Poursuivez avec l'expérience de diffraction de rayons X NC deux en insérant la pochette contenant la cellule dans les plaques de pression en aluminium. Veillez à ce que les trous soient correctement alignés pour permettre au faisceau de rayons X de passer. Rebranchez les câbles du potentiostat à l'appareil près de la console de commande.

Déterminez le faisceau optimal et la durée d'exposition avant de commencer l'électrochimie. Enregistrez un motif initial puis débutez l'expérience d'électrochimie. Collectez les données et surveillez l'expérience.

Ces données de diffraction X en deux C ont été obtenues à partir d'une cellule contenant une anode en lithium et une cathode en oxyde métallique. La cathode appartenait à une famille de matériaux d'électrode connue sous le nom de NMC, pour nickel, manganèse et cobalt. La cellule a subi une charge, indiquée par les tracés noirs, et une décharge, indiquée par les tracés verts, après étalonnage et conversion du motif en anneau en balayages linéaires.

Chaque balayage représente l'état de charge du système à un instant donné. Sous courant constant, les pics en bleu sont dus au collecteur de courant en aluminium. Ceux en rouge sont dus à l'enveloppe polymère et au séparateur présents dans le trajet du faisceau.

Le lithium dans la cellule est essentiellement transparent aux rayons X. Les réflexions d'indice attribuables au matériau actif de la cellule sont indiquées, car les paramètres de la maille élémentaire varient en fonction de la teneur en lithium. Certains pics provenant de cette phase se superposent à ceux du collecteur de courant en aluminium.

Dans certains cas, une fois maîtrisée, une expérience menée par un institut peut être réalisée sur la ligne de faisceau en 10 à 20 heures en suivant cette procédure. D'autres méthodes, comme la spectroscopie d'absorption des rayons X, peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires, telles que l'évolution de la structure du matériau et des états redox des métaux de transition en fonction de l'état de charge. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière d'assembler une pile bouton pour son étude sur une ligne de faisceau de synchrotron et d'acquérir des diagrammes de diffraction des rayons X pendant que la pile est soumise à des cycles de charge et de décharge.