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Les scientifiques ont conçu une cellule spéciale afin d’observer le transport des ions lithium entre l’anode et la cathode dans une batterie lithium-soufre à l’état solide. Étant donné que le lithium peut difficilement être détecté avec des méthodes à rayons X, les physiciens du HZB, le Dr Robert Bradbury et le Dr Ingo Manke, ont examiné la cellule d’échantillon avec des neutrons, qui sont extrêmement sensibles au lithium. En collaboration avec le Dr Nikolay Kardjilov, HZB, ils ont utilisé des méthodes de radiographie neutronique et de tomographie neutronique sur l’instrument CONRAD2 à la source de neutrons de Berlin BER II1. Des groupes de Giessen (JLU), Braunschweig (TUBS) et Jülich (FZJ) ont également participé aux travaux.
Ions lithium observés directement
« Nous avons maintenant une bien meilleure idée de ce qui limite les performances de la batterie », déclare Bradbury : « Nous voyons d’après les données de radiographie neutronique operando qu’il y a un front de réaction des ions lithium se propageant à travers la cathode composite confirmant l’influence négative d’un ionique efficace faible. conductivité. » De plus, les images de tomographie neutronique 3D montrent du lithium piégé concentré près du collecteur de courant pendant la recharge. « Cela se traduit par une capacité réduite car seule une partie du lithium est transportée lorsque la batterie est chargée. »
La distribution de lithium observée correspondait parfaitement à un modèle basé sur la théorie des électrodes poreuses : « Ce que nous observons ici dans les données d’imagerie neutronique est bien corrélé avec les conditions de conductivité électronique et ionique pertinentes du modèle », déclare Bradbury.
Goulot d’étranglement identifié
Ces résultats dévoilent un goulot d’étranglement de développement précédemment négligé pour les batteries à semi-conducteurs, montrant que des limitations existent dans les composites cathodiques en raison du transport ionique lent. Le défi consiste maintenant à permettre une livraison plus rapide des ions dans le composite cathodique. « Sans visualisation directe du front de réaction à l’intérieur du composite cathodique, cet effet aurait pu passer inaperçu, malgré son importance pour le développement des batteries à semi-conducteurs », déclare Bradbury.
Note 1 : Les expériences ont eu lieu fin 2019, avant l’arrêt de la source de neutrons BER II. Les travaux seront poursuivis à l’avenir dans le cadre du groupe de recherche mixte « NI-Matters » entre HZB, l’Institut Laue-Langevin (France) et l’Université de Grenoble (France).
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