Croissance de dendrites dans une batterie au lithium métal. Crédit :Washington University à St. Louis
Au fur et à mesure que notre amour des gadgets grandit, il en va de même pour les demandes de batteries plus durables. Mais il y a un problème.
Pour faire une batterie plus durable, il doit être plus grand, et plus gros n'est pas mieux quand il s'agit de téléphones portables ou de voitures électriques, sans parler des stimulateurs cardiaques.
Les batteries au lithium-ion ont déjà une réputation moins que stellaire :pensez aux téléphones portables qui explosent ou aux incendies dans les avions. Au-delà de ces problèmes existants, lorsque les chercheurs tentent de réduire ces batteries sans compromettre les performances, les résultats sont encore plus instables et sujets aux courts-circuits; les ingénieurs n'ont pas été en mesure de surmonter ces problèmes.
Des chercheurs de l'Université Washington à St. Louis ont de nouvelles connaissances sur la ou les causes de ces problèmes, ouvrant la voie aux plus petits, plus sûr, batteries plus denses en énergie. Le résultat de leurs travaux a récemment été publié en ligne dans la revue Joule .
Peng Bai, professeur assistant à l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, a identifié trois limites actuelles clés en ce qui concerne ces batteries au lithium métal à haute densité énergétique. Il s'avère, les ingénieurs cherchaient une solution à ce qui s'est avéré être trois problèmes.
Une batterie lithium-ion est constituée de trois couches :une couche de matériau basse tension (graphite) appelée anode; l'un en matériau haute tension (oxyde de lithium-cobalt) appelé cathode; et une couche de plastique poreux qui sépare les deux.
Le séparateur est mouillé par un liquide appelé électrolyte. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium se vident de l'anode, passage à travers l'électrolyte liquide, et passer dans la cathode. Le processus s'inverse au fur et à mesure que la batterie se charge.
La croissance des moustaches est bloquée par un séparateur dans une batterie au lithium métal. Crédit :Peng Bai
"Avec la moitié des matériaux d'électrode d'hébergement lithium-ion vides à tout moment, " Bai dit, "vous perdez la moitié de votre espace."
Les ingénieurs savaient qu'ils pouvaient construire une batterie plus dense en énergie (une batterie plus petite avec des capacités de sortie similaires) en éliminant une partie du poids mort qui vient avec la moitié des matériaux hôtes toujours vides. Ils ont eu un succès minime en enlevant l'anode en graphite, puis réduire les ions lithium avec des électrons lors de la recharge, un processus qui forme un mince placage de lithium métal.
"Le problème est que le placage au lithium métal n'est pas uniforme, " Bai dit. " Il peut faire pousser des 'doigts'. "
Les chercheurs ont appelé ces doigts des « dendrites ». Au fur et à mesure qu'ils se propagent à partir du placage métallique au lithium, ils peuvent pénétrer le séparateur dans la batterie, conduisant à un court-circuit.
Les dendrites peuvent rapidement pénétrer dans un séparateur dans une batterie au lithium-métal. Crédit :Peng Bai
Mais tous les "doigts" ne sont pas les mêmes. "Si vous les appelez tous dendrites, vous cherchez une solution pour résoudre en fait trois problèmes, ce qui est impossible, " dit Bai. " C'est pourquoi, après tant d'années, ce problème n'a jamais été résolu. "
Son équipe a identifié trois types distincts de doigts, ou modes de croissance, dans ces anodes de lithium métal. Ils décrivent également à quel courant chaque mode de croissance apparaît.
"Si vous utilisez un courant très élevé, il construit à la pointe pour produire une structure arborescente, ", a déclaré Bai. Ce sont de "vraies dendrites" (voir la figure A).
En dessous de la limite inférieure, des moustaches poussent à partir de la racine (voir Figure B).
Les excroissances superficielles pénètrent dans le séparateur dans une batterie au lithium métal. Crédit :Peng Bai
Et à l'intérieur de ces deux limites existe la transition dynamique des moustaches aux dendrites, que Bai appelle "croissance en surface" (voir la figure C).
Ces croissances sont toutes liées aux réactions concurrentes dans la région entre l'électrolyte liquide et les dépôts métalliques.
L'étude a révélé qu'un séparateur en céramique nanoporeux peut bloquer les moustaches jusqu'à une certaine densité de courant, après quoi les excroissances superficielles peuvent pénétrer lentement dans le séparateur. Avec un courant assez fort, forme "vraies dendrites", qui peut facilement et très rapidement pénétrer dans le séparateur pour court-circuiter la batterie.
À ce point, Bai a dit, "notre cellule transparente unique a révélé que la tension de la batterie pouvait sembler tout à fait normale, même si le séparateur a été pénétré par un filament de lithium métallique. Sans voir ce qui se passe à l'intérieur, vous pourriez être facilement dupé par la tension apparemment raisonnable, mais, vraiment, votre batterie est déjà défectueuse."
Afin de construire un coffre-fort, efficace, batterie fiable avec une anode au lithium métal, les trois modes de croissance doivent être contrôlés par trois méthodes différentes.
Ce sera un défi étant donné que les consommateurs veulent des batteries qui peuvent stocker plus d'énergie, et en même temps veulent qu'ils soient rechargés plus rapidement. La combinaison de ces deux produit inévitablement un courant de charge de plus en plus élevé, qui peut dépasser l'un des courants critiques identifiés par l'équipe de Bai.
Et, les batteries peuvent se dégrader. Quand ils le font, les courants critiques identifiés pour la batterie neuve ne s'appliquent plus; le seuil devient plus bas. À ce moment, étant donné le même courant de charge rapide, il y a une plus grande probabilité que la batterie court.
"Le fonctionnement de la batterie est très dynamique, dans une très large gamme de courants. Pourtant, sa disposition varie considérablement au cours du cycle de vie", a déclaré Bai. "C'est pourquoi cela devient nécessaire."
