A puzzle has baffled the battery industry for decades: certain materials used in the lithium-ion batteries that power our laptops, phones and cars store much more energy than theoretically expected.
Thanks to a research collaboration spanning three countries, this puzzle has been solved and researchers see opportunities to develop new technologies from batteries to quantum devices.
Researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC), the Massachusetts Institute of Technology and the University of Texas at Austin, as well as Qingdao University and Shandong University in China, harnessed a technique normally used in physics to investigate batteries and discover their inner workings.
“The challenge is probing what’s going on inside of a battery non-destructively while it is operating,” said Guo-Xing Miao, associate professor at IQC and in the University of Waterloo Department of Electrical and Computer Engineering.
When you charge a battery by plugging it in or discharge a battery by using it, you may also change the magnetism within the battery. The researchers took advantage of this fact and used an in situ magnetometry technique to probe the internal magnetism of a battery in real time.
In a work published in Nature Materials in August 2020, they found that the extra capacity of transition-metal oxides often used as electrodes in lithium-ion batteries mostly resides in nanoparticles that physically collect around the surface of these materials after regular use of the battery. These clouds of nanoparticles hold the extra charge that has puzzled researchers for decades when only chemical reactions had been taken into consideration.
The researchers followed up this work by extending their results from iron oxide to cobalt oxide, another material with an unexpectedly high electrical storage capacity.
Published in Advanced Materials February 2021, the new work demonstrated that a polymer forms on the surface of cobalt oxide during normal use of the battery. The researchers used the magnetometry technique to show that this polymer, with the assistance of cobalt’s catalytic properties, contributes to the extra storage capacity of cobalt oxide electrodes, in addition to the same nanoparticles that benefit iron oxide.
“Most commercial batteries will have a mixture at different transition-metal elements to balance their capacity, stability and cost,” said Miao. “With applied magnetic fields, batteries using these different elements can show magnetic signatures during the reactions as a non-destructive probing method.”
Now that researchers can probe the magnetic changes taking place in many different electrode materials, new avenues of understanding and developing battery technology can be explored.
Miao is also interested to see how this magnetometry technique can impact the next generation of quantum devices. “We borrowed this technique from spintronics where it functions the same, but with different applications,” said Miao.
Qiang Li, the lead author of the paper and an alumnus of Miao’s group, now pursues his own research into spintronics as a professor at Qingdao University and an IQC Affiliate. “I became very interested in magnetism during my time at IQC,” said Li. “The magnetic manipulation with lithium ions is so powerful that it also opens a new route for controlling spintronic devices.”
Spintronics is the study of electron spin in solid state devices. By using the same magnetometry technique that allows them to probe batteries, researchers can read and write magnetic information at the level of the electron in spintronic devices, with ions as the new control knobs.
“In the same way that we can use an electric field to drive ion motion to change the magnetism in a battery, we can change the magnetism in a spintronic device to read or write information, or even to process information using logic gates,” said Miao.
Whether it is probing materials to find an advantage in the batteries that surround us or building the powerful quantum devices of the future, these new developments prove that sometimes the right piece to solve a puzzle is already out there. It just needs to be placed in the right spot.
Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed by in situ magnetometry was published in Nature Materials August 17, 2020. Operando Magnetometry Probing the Charge Storage Mechanism of CoO Lithium Ion Batteries was published in Advanced Materials February 12, 2021.
This project is supported in part by the Canada First Research Excellence Fund (CFREF) through the Transforming Quantum Technologies (TQT) program.
Sonder la puissance des batteries aux ions de lithium
Une énigme déconcerte le secteur industriel des batteries depuis des décennies : certains matériaux utilisés dans les batteries aux ions de lithium qui alimentent nos ordinateurs portatifs, nos téléphones et nos automobiles emmagasinent beaucoup plus d’énergie que ce que prévoit la théorie.
Grâce à une recherche menée en collaboration dans 3 pays, cette énigme vient d’être résolue, et les chercheurs y voient des occasions de développer de nouvelles technologies allant des batteries aux dispositifs quantiques.
Des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC), de l’Institut de technologie du Massachusetts (MIT) et de l’Université du Texas à Austin, ainsi que de l’Université de Qingdao et de l’Université du Shandong en Chine, ont exploité une technique normalement utilisée en physique pour sonder des batteries et découvrir leur fonctionnement interne.
« Le défi consiste à étudier ce qui se passe à l’intérieur d’une batterie pendant qu’elle fonctionne, mais de manière non destructive » [traduction], a déclaré Guo-Xing Miao, professeur agrégé à l’IQC ainsi qu’au Département de génie électrique et informatique de l’Université de Waterloo.
Lorsque l’on charge une batterie en la branchant, ou qu’on la décharge en l’utilisant, cela peut en même temps modifier le magnétisme à l’intérieur de la batterie. Les chercheurs ont profité de ce fait et utilisé une technique de magnétométrie in situ pour sonder en temps réel le magnétisme interne d’une batterie.
Selon un article publié en août 2020 dans la revue Nature Materials, les auteurs ont constaté que la capacité supplémentaire d’oxydes de métaux de transition — souvent employés dans les électrodes de batteries aux ions de lithium — réside surtout dans des nanoparticules qui se rassemblent près de la surface de ces matériaux après une utilisation régulière de la batterie. Ces nuages de nanoparticules contiennent la charge supplémentaire qui a déconcerté pendant des années les chercheurs, car ceux-ci ne prenaient en considération que les réactions chimiques.
Les chercheurs ont poursuivi leurs travaux en étendant leurs résultats de l’oxyde de fer à l’oxyde de cobalt — autre matériau qui possède une capacité de stockage de charges électriques plus élevée que prévu.
Publiés en février 2021 dans la revue Advanced Materials, ces nouveaux travaux montrent qu’un polymère se forme à la surface de l’oxyde de cobalt pendant une utilisation normale de la batterie. Les chercheurs ont utilisé la technique de magnétométrie pour montrer que ce polymère, avec l’aide des propriétés catalytiques du cobalt, contribue à la capacité supplémentaire de stockage des électrodes en oxyde de cobalt, en plus des mêmes nanoparticules que l’on trouve avec l’oxyde de fer.
« La plupart des batteries commercialisées contiennent un mélange de différents métaux de transition, en vue d’un équilibre optimal entre leur capacité, leur stabilité et leur coût, a déclaré M. Miao. Lorsqu’on leur applique des champs magnétiques, les batteries qui font appel à ces divers éléments ont des signatures magnétiques qui constituent une méthode de mesure non destructive. » [traduction]
La possibilité d’observer les modifications magnétiques qui surviennent dans de nombreux matériaux employés dans les électrodes ouvre de nouvelles avenues de connaissance et de développement de la technologie des batteries.
M. Miao aimerait également voir comment cette technique de magnétométrie peut avoir des effets sur la prochaine génération de dispositifs quantiques. « Nous avons emprunté cette technique à la spintronique, où elle fonctionne de la même manière, dit-il, mais avec des applications différentes. » [traduction]
Qiang Li, auteur principal de l’article et ancien membre de l’équipe de M. Miao, poursuit maintenant ses propres recherches en spintronique, à titre de professeur à l’Université de Qingdao et membre affilié de l’IQC. « Je me suis beaucoup intéressé au magnétisme pendant mon séjour à l’IQC, dit-il. Les manipulations magnétiques sur les ions de lithium sont si puissantes qu’elles ouvrent aussi une nouvelle voie vers le contrôle de dispositifs de spintronique. » [traduction]
La spintronique, aussi appelée électronique de spin ou magnétoélectronique, est l’étude des spins électroniques dans des dispositifs à semi-conducteur. En utilisant la même technique de magnétométrie qui leur permet de sonder les batteries, les chercheurs peuvent lire et écrire de l’information magnétique à l’échelle de l’électron dans des dispositifs spintroniques, les ions jouant le rôle de boutons de commande.
« De la même manière que nous pouvons utiliser un champ électrique pour amener le mouvement des ions à modifier le magnétisme dans une batterie, dit M. Miao, nous pouvons modifier le magnétisme dans un dispositif spintronique pour lire ou écrire de l’information, ou même traiter de l’information à l’aide de portes logiques. » [traduction]
Qu’il s’agisse de sonder des matériaux pour trouver un avantage quantitatif dans les batteries que nous utilisons, ou de construire les puissants dispositifs quantiques de l’avenir, ces nouveaux résultats prouvent que la pièce manquante pour résoudre un casse-tête est parfois déjà disponible. Il suffit de la placer au bon endroit.
L’article intitulé Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed by in situ magnetometry (La magnétométrie in situ révèle une capacité supplémentaire de stockage dans les batteries aux ions de lithium et aux oxydes de métaux de transition) a été publié le 17 août 2020 dans la revue Nature Materials. L’article intitulé Operando Magnetometry Probing the Charge Storage Mechanism of CoO Lithium Ion Batteries (Sondage par magnétométrie du mécanisme de stockage de charges dans les batteries aux ions de lithium et à l’oxyde de cobalt) a été publié le 12 février 2021 dans la revue Advanced Materials.
Ce projet est financé en partie par le Fonds d'excellence en recherche de Canada First par l'entremise de Transforming Quantum Technologies (TQT)
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