La plupart des batteries lithium-ion actuelles, qui alimentent tout, des voitures aux téléphones, utiliser un liquide comme électrolyte entre deux électrodes. L'utilisation d'un électrolyte solide à la place pourrait offrir des avantages majeurs à la fois pour la sécurité et la capacité de stockage d'énergie, mais les tentatives en ce sens se sont heurtées à des défis inattendus.

Les chercheurs rapportent maintenant que le problème peut être une interprétation incorrecte de la façon dont ces batteries échouent. Les nouvelles découvertes, qui pourrait ouvrir de nouvelles voies pour développer des batteries au lithium à électrolytes solides, sont rapportés dans le journal Matériaux énergétiques avancés , dans un article de Yet-Ming Chiang, le professeur de céramique Kyocera au MIT; W. Craig Carter, le professeur POSCO de science et d'ingénierie des matériaux au MIT; et huit autres.

L'électrolyte dans une batterie est le matériau entre les électrodes positives et négatives, une sorte de remplissage dans le sandwich de la batterie. Chaque fois que la batterie est chargée ou déchargée, les ions (atomes ou molécules chargés électriquement) traversent l'électrolyte d'une électrode à l'autre.

Mais ces électrolytes liquides peuvent être inflammables, et ils ont été responsables de certains incendies causés par de telles batteries. Ils sont également sujets à la formation de dendrites - minces, projections de métal en forme de doigt qui s'accumulent à partir d'une électrode et, s'ils arrivent jusqu'à l'autre électrode, peut créer un court-circuit qui pourrait endommager la batterie.

Les chercheurs ont tenté de contourner ces problèmes en utilisant un électrolyte composé de matériaux solides, comme certaines céramiques. Cela pourrait éliminer le problème d'inflammabilité et offrir d'autres grands avantages, mais des tests ont montré que ces matériaux ont tendance à fonctionner de manière quelque peu erratique et sont plus sujets aux courts-circuits que prévu.

Le problème, selon cette étude, est que les chercheurs se sont concentrés sur les mauvaises propriétés dans leur recherche d'un matériau électrolytique solide. L'idée dominante était que la fermeté ou l'élasticité du matériau (une propriété appelée module de cisaillement) déterminait si les dendrites pouvaient pénétrer dans l'électrolyte. Mais la nouvelle analyse a montré que c'est la douceur de la surface qui compte le plus. Les entailles et rayures microscopiques sur la surface de l'électrolyte peuvent fournir une prise pour les dépôts métalliques pour commencer à forcer leur chemin, les chercheurs ont trouvé.

Ceci suggère, Tchang dit, que se concentrer simplement sur l'obtention de surfaces plus lisses pourrait éliminer ou réduire considérablement le problème de la formation de dendrites dans les batteries à électrolyte solide. En plus d'éviter le problème d'inflammabilité associé aux électrolytes liquides, cette approche pourrait également permettre d'utiliser une électrode solide de lithium métal. Cela pourrait potentiellement doubler la capacité énergétique d'une batterie lithium-ion, c'est-à-dire sa capacité à stocker de l'énergie pour un poids donné, ce qui est crucial pour les véhicules et les appareils portables.

"La formation des dendrites, conduisant à d'éventuelles défaillances de court-circuit, a été la principale raison pour laquelle les batteries rechargeables au lithium-métal n'ont pas été possibles, " explique Chiang. (Les électrodes lithium-métal sont couramment utilisées dans les batteries non rechargeables, mais c'est parce que les dendrites ne se forment que pendant le processus de charge.)

Le problème de la formation de dendrites dans les batteries rechargeables au lithium a été identifié pour la première fois au début des années 1970, Tchang dit, "et 45 ans plus tard, ce problème n'a toujours pas été résolu. Mais l'objectif est toujours alléchant, " en raison du potentiel de doubler la capacité d'une batterie en utilisant des électrodes au lithium métal.

Dans les dernières années, un certain nombre de groupes ont essayé de développer des électrolytes solides pour permettre l'utilisation d'électrodes en lithium métal. Deux types principaux sont en cours d'élaboration, Chiang dit :sulfures de phosphore de lithium, et les oxydes métalliques. Avec tous ces efforts de recherche, l'une des idées dominantes était que le matériau devait être rigide, pas élastique. Mais ces matériaux ont eu tendance à montrer des résultats incohérents et confus dans les tests de laboratoire.

L'idée avait du sens, Chiang dit qu'un matériau plus rigide devrait être plus résistant à quelque chose qui essaie de s'enfoncer dans sa surface. Mais le nouveau travail, dans lequel l'équipe a testé des échantillons de quatre variétés différentes de matériaux électrolytiques solides potentiels et observé les détails de leurs performances pendant les cycles de charge et de décharge, ont montré que la façon dont les dendrites se forment réellement dans les matériaux solides rigides suit un processus complètement différent de ceux qui se forment dans les électrolytes liquides.

Sur les surfaces solides, le lithium de l'une des électrodes commence à se déposer, par une réaction électrochimique, sur tout petit défaut existant à la surface de l'électrolyte, y compris de minuscules fosses, fissures, et des rayures. Une fois le dépôt initial formé sur un tel défaut, il continue de se construire et, étonnamment, l'accumulation s'étend de la pointe de la dendrite, pas de sa base, alors qu'il se fraie un chemin dans le solide, agissant comme un coin au fur et à mesure et ouvrant une fissure de plus en plus large.

Ces matériaux sont "très sensibles au nombre et à la taille des défauts de surface, pas aux propriétés en vrac" du matériau, dit Chiang. "C'est la propagation des fissures qui conduit à la rupture. … Cela nous dit que ce sur quoi nous devrions nous concentrer davantage, c'est la qualité des surfaces, sur la façon dont nous pouvons fabriquer ces films d'électrolyte solides en douceur et sans défaut."

"Je pense que ce travail novateur et de haute qualité réinitialisera la réflexion sur la façon de concevoir des batteries à semi-conducteurs pratiques au lithium métal, " dit Alan Luntz, professeur consultant pour la recherche sur les batteries métal-air à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à cette recherche. "Les auteurs ont montré qu'un mécanisme différent régit le court-circuit au lithium métal dans les batteries au lithium métal solide par rapport aux batteries au lithium métal liquide ou polymère où se forment des dendrites. … Cela implique que si les batteries au lithium métal solide doivent avoir des densités de courant pratiques, alors une minimisation minutieuse de tous les défauts structurels à l'interface lithium métal et électrolyte est essentielle, " il dit.

Luntz ajoute, "Je considère qu'il s'agit d'une contribution extrêmement importante à l'objectif de développer des batteries à semi-conducteurs pratiques et sûres."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.