Les batteries dont la cathode est constituée d’un mélange de nickel, de manganèse, de cobalt et de lithium sont actuellement considérées comme les plus puissantes. Mais ils ont aussi une durée de vie limitée. Déjà au premier cycle, ils perdent jusqu'à 10% de leur capacité. Une équipe interdisciplinaire de scientifiques de l’Université technique de Munich (TUM) a exploré plus en détail en quoi consiste cette action et ce qu’il est possible de faire contre la perte de capacité progressive qui s’ensuit, à l’aide de positrons.

Les batteries dites NMC, dont les cathodes sont constituées d'un mélange de nickel, de manganèse, de cobalt et de lithium, ont largement écarté du marché les batteries lithium-oxyde de cobalt conventionnelles. Ils sont moins chers et plus sûrs et sont donc utilisés, entre autres, dans les voitures électriques et hybrides. Mais même avec eux, seulement un peu plus de 50% des atomes de lithium contribuent à la capacité réelle. Alors que 62 % des atomes de lithium pouvaient encore se détacher du réseau cristallin lors de la première décharge des électrodes examinées à l'Université technique de Munich, seuls 54 % reviennent lorsqu'elles sont rechargées.

Dans les cycles suivants, la perte est beaucoup plus faible, mais la capacité diminue progressivement. Après quelques milliers de cycles, la capacité restante est si faible que la batterie devient inutilisable.

Les positons capturés montrent des trous dans la grille

Des recherches menées par d'autres groupes ont montré que lors de la charge, apparemment, tous les atomes de lithium ne se retrouvent pas dans les espaces appropriés du réseau cristallin. Cependant, les méthodes précédentes ne pouvaient pas montrer les processus atomiques responsables de cela. Comme c'est souvent le cas, la solution est venue d'une coopération interdisciplinaire : Irmgard Buchberger, qui travaille à la chaire d'électrochimie technique de l'Université technique de Munich, a contacté Stefan Seidlmayer, qui étudie également les technologies des batteries à la source de neutrons de recherche FRM II à le Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ). .

Il a pris contact avec Christoph Hugenschmidt, responsable de l'instrument Nepomuc au MLZ. Il génère des positrons, les antiparticules des électrons, qui peuvent être utilisés pour rechercher spécifiquement des trous dans les réseaux cristallins. « En tant que particules extrêmement petites et très mobiles, les positrons peuvent voler à travers les matériaux. S'ils frappent un électron, ils se retrouvent immédiatement dans un flash d'énergie, s'ils trouvent un endroit vide dans le réseau cristallin, ils survivent beaucoup plus longtemps », explique Markus Reiner, qui a réalisé les expériences sur l'instrument Nepomuc.

Comme les positrons sont piégés dans les sites de réseau vides peu de temps avant de prendre enfin feu, la spectroscopie d’annihilation des positons peut être utilisée pour tirer des conclusions précises sur l’environnement local - et ceci avec une très grande sensibilité, dans la mesure où il 1: millions détectés.

Développement de matériel ciblé

L'étude montre clairement que les "trous" subsistant dans la grille du matériau cathodique lors de la recharge sont associés à la perte irréversible de capacité et ce colmatage est dû au remplissage insuffisant des trous du matériau cathodique. "Maintenant, c'est à nouveau notre tour en tant que chimistes", déclare le professeur Hubert Gasteiger, titulaire de la chaire d'électrochimie technique. "En modifiant spécifiquement le matériau de la cathode, nous pouvons désormais rechercher des moyens de contourner cette barrière."

"Pour le Batterierecherche, la source de neutrons de recherche Garching est un outil extrêmement utile », déclare Ralph Gilles, qui coordonne les mesures pour le projet de recherche sur la batterie « Exzellum » au FRM II. «Avec les neutrons, nous pouvons voir de petits atomes comme le lithium, en particulier, eh bien, même à travers la coque métallique pendant que la machine est en fonctionnement. Avec les positrons, nous avons maintenant ouvert une autre possibilité de mieux comprendre les processus et ainsi de pouvoir les améliorer davantage.

La recherche a été financée par des fonds du Ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (BMBF) dans le cadre du projet Exzelltum. Le fonctionnement du spectromètre d'élargissement Doppler coïncident utilisé pour l'étude bénéficiera également d'un financement du BMBF.