Lors du développement de matériaux de batterie à forte densité d'énergie, la capacité de dégradation pendant le cycle constitue un problème majeur. Les causes de dégradation de la batterie incluent la fissuration des particules, la rétention de lithium dans les électrodes, la dégradation de l'électrolyte, le placage au lithium et la formation de dendrite. Comprendre ces mécanismes de dégradation de la batterie en vue de les limiter représente donc une étape essentielle pour réussir le développement de nouveaux matériaux de batterie. 

La diffraction des rayons X (XRD) in operando peut examiner ces mécanismes de défaillance en analysant les changements de la structure cristalline sous-jacents pendant le cycle de batterie. En particulier, notre plateforme XRD Empyrean peut être utilisée pour le cycle in operando de divers types de batteries, des piles bouton ou cellules électrochimiques aux cellules de poche et prismatiques.

Pourquoi mes cellules se dégradent-elles au fil des cycles ?

Tandis que les ions positifs de lithium sortent de la cathode pendant un cycle de charge, son réseau de cristaux s'étend généralement en raison de la répulsion entre les ions négatifs d'oxygène. Dans certains matériaux (NCM811 par exemple), le cycle haute tension peut également entraîner une transformation vers une autre phase cristalline et, en retour, une expansion brutale du réseau. Ceci peut alors provoquer la fissuration des particules et, à terme, une perte de capacité dans la cellule de la batterie.
 
De même, lorsque les ions de lithium entrent dans l'anode pendant la charge, ils provoquent également l'expansion du réseau. Dans le cas des anodes en graphite, la structure du réseau passe à LiC12, puis à LiC6. Pendant la phase de décharge, elle repasse en graphite (C). Après quelques cycles de charge/décharge, certains ions de lithium peuvent être conservés dans l'anode, ce qui entraîne une réduction de la capacité de décharge. Dans le cas de matériaux d'anode alternatifs comme le silicium, qui ont une capacité initiale beaucoup plus grande, l'expansion du réseau peut être tellement importante que la fissuration des particules se produit rapidement.
 
La XRD in operando est capable d'étudier la structure cristalline des matériaux d'électrode à l'échelle atomique, et la manière dont elle change au fur et à mesure que la cellule est chargée ou déchargée. Pour tout nouveau développement de matériau de batterie, la XRD in operando fournit donc un moyen simple de déterminer la stabilité des matériaux d'électrode au fil des cycles.  En particulier, notre plateforme XRD Empyrean permet aux fabricants et développeurs de batteries d'étudier les piles bouton, cellules électrochimiques, cellules de poche et cellules prismatiques avec des cycles de charge/décharge in situ.

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Exemple decyclesin operando de NCM333 et de cellules d'anode en graphite. La ligne verte de la Fig. 1(a) indique la variation de tension de la cellule, de 3,2 V en état de décharge à 4,3 V en état de charge complète. Le pic situé autour de 6,8°2θ est le pic 003 de la cathode NCM, et sa position changeante reflète les changements du paramètre C au fil des cycles. Le pic discontinu situé autour de 9°2θ est celui de l'anode en graphite, qui passe du graphite au LiC12, puis au LiC6 pendant le cycle de charge, puis repasse au LiC12, puis au graphite pendant le cycle de décharge. La Fig. 1(b) indique la modification du paramètre C pendant le cycle : de 14,47 en état de charge complète à 14,14 en état de décharge.

Piles bouton et cellules électrochimiques

Tous les types de piles bouton dont au moins un côté présente une fenêtre transparente aux rayons X peuvent être étudiés sur la plateforme XRD Empyrean. Nous fournissons un porte-pile bouton spécialisé, qui peut être utilisé pour le cycle de charge/décharge.
La plateforme XRD Empyrean peut également prendre en charge les cellules électrochimiques dotées d'une fenêtre transparente aux rayons X, comme le béryllium ou le carbone vitreux. Nous pouvons fournir ces cellules électrochimiques, avec l'option de chauffage et de refroidissement, qui peuvent ensuite être montées sur la plateforme XRD Empyrean. 

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Fig. 2(a) Une cellule électrochimique prise en charge sur la plateforme XRD Empyrean. La cellule peut également être chauffée ou refroidie pour étudier la durabilité du cycle à des températures non ambiantes. La Fig. 2(b) montre un porte-pile bouton avec des connexions électriques, pour le montage de piles bouton dont au moins une face présente une fenêtre transparente aux rayons X.

Cellules de poche et prismatiques

L'Empyrean prend en charge une excitation de 60 kV, ce qui permet d'obtenir le rayonnement Ag de 22,16 keV haute intensité nécessaire à la recherche sur les cellules de poche. En effet, des cellules de poche multicouches d'une épaisseur maximale de 5 mm peuvent être analysées sur la plateforme XRD Empyrean, équipée d'un rayonnement Ag et d'un détecteur GaliPIX3D. De plus, les miroirs de mise au point multicouches spéciaux offrent une haute résolution et un faisceau de rayons X à forte brillance, réduisant encore davantage les durées de mesure.      

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La Fig. 3(a) indique le montage de la cellule de poche ou prismatique sur la plateforme XRD Empyrean. Un mécanisme permettant d'appliquer une pression sur les cellules de poche est également pris en charge. La Fig. 3(b) montre le détecteur GaliPIX3D haute performance avec le capteur CdTe, rendant l'utilisation de la XRD in operandopossible sur des cellules de poche épaisses.                   

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