Recherche sur les batteries

Les applications liées à la génération et au stockage d’énergie requièrent,  à l’heure actuelle, certaines initiatives de développement des matériaux les plus complexes pour répondre aux objectifs d’efficacité et de fiabilité. De nos jours, de nombreux dispositifs électroniques allant de l’ordinateurs portables aux smartphones sont alimentés par des batteries lithium-ion (li-ion) rechargeables et pourraient également bientôt 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 essentiellement des propriétés intrinsèques des matériaux qui composent son anode, sa cathode, son électrolyte et son 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, la diffraction de rayons X, la microscopie Raman, la microscopie de rayons X et la spectroscopie de rayons X font la lumière sur le fonctionnement des matériaux de stockage d'énergie.

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.

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 différents électrolytes, offrant une meilleure compréhension du mécanisme sous-jacent de la croissance dendritique dans les batteries au lithium.

La spectroscopie RMN in situ à l'état solide peut fournir des informations précieuses sur la structure, la dynamique et les propriétés électrochimiques des matériaux des batteries. Elle permet aux chercheurs d'étudier le comportement des matériaux pendant le fonctionnement des batteries, ce qui peut aider au développement de conceptions de batteries nouvelles et améliorées.

Par exemple, la spectroscopie RMN in situ peut être utilisée pour étudier le comportement des matériaux de l'électrolyte et des électrodes pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie. Ces informations peuvent être utilisées pour optimiser les performances de la batterie et pour identifier les problèmes potentiels qui peuvent survenir pendant le fonctionnement.

En outre, la spectroscopie RMN in situ peut également être utilisée pour étudier les mécanismes de dégradation des matériaux des batteries au fil du temps. Cela peut aider au développement de batteries plus durables et plus résistantes.

Dans l'ensemble, la spectroscopie RMN in situ à l'état solide est un outil puissant pour la recherche et la fabrication de batteries, car elle permet de mieux comprendre les processus fondamentaux qui régissent les performances des batteries et peut aider à guider le développement des technologies de batteries de nouvelle génération.

Dans les domaines émergents de la synthèse électroorganique et de la recherche sur les batteries, les réactions secondaires électrochimiques sur la surface active des électrodes représentent un défi majeur pour l'efficacité et la reproductibilité.

Souvent, la polymérisation indésirable d'un ou plusieurs composés sur la surface active des électrodes est observée. Ces polymères ont tendance à s'adsorber sur l'électrode conduisant à une passivation de la surface active, ce qui est souvent appelé « encrassement de l'électrode ».

L'imagerie par spectrométrie de masse utilisant le timsTOF fleX permet l'identification et la visualisation résolue spatialement des produits secondaires adsorbés. Par conséquent, l'imagerie basée sur timsTOF fleX permet d'étudier l'encrassement des électrodes et fournit des informations précieuses sur les voies de réaction électrochimique.

La technologie de résonance magnétique est un outil précieux pour l'industrie des batteries en permettant aux chercheurs d'acquérir des connaissances approfondies sur les processus chimiques et physiques qui régissent les performances des batteries. Cette technologie peut également être appliquée efficacement à la chaîne de valeur et à la chaîne d'approvisionnement de la fabrication de batteries pour garantir la qualité constante des composants et des matériaux des batteries, y compris les électrodes, les électrolytes et les séparateurs. En outre, elle peut être utilisée pour surveiller les processus de production des batteries et identifier les défauts ou incohérences susceptibles de compromettre les performances ou la sécurité des batteries. En tirant parti de la technologie de résonance magnétique, les fabricants de batteries peuvent améliorer leurs capacités de production et développer des solutions de batteries plus efficaces, durables et rentables qui répondent aux demandes croissantes du marché.

Que vous soyez un fabricant de batteries ou un chercheur, la résonance magnétique peut vous aider à innover dans le monde en évolution rapide de la recherche et de la fabrication de batteries.

La microscopie à rayons X permet de visualiser de manière non destructive la structure 3D interne des batteries et des piles à combustible. La XRM est donc un excellent outil pour aider à comprendre les mécanismes de défaillance en surveillant l'alignement interne des composants tels que la séparation des électrodes sur la durée de vie de la batterie ou lors de tests de résistance.

La microstructure des électrodes des batteries hautes performances modernes telles que les batteries Li-ion a un impact significatif sur les propriétés clés telles que la durée de vie du cycle et la capacité. Beaucoup d'efforts sont donc consacrés à l'optimisation minutieuse des paramètres de traitement pour tirer le meilleur parti des performances de la batterie. La XRM en tant que technique d'analyse multi-échelle prend en charge la recherche avancée sur les batteries car il peut révéler à haute résolution la microstructure des couches individuelles d'anode et de cathode.