Une couche de phosphore rouge dans les batteries rechargeables au lithium métal peut signaler lorsque des dendrites endommagées menacent de créer un court-circuit. La technique développée à l'Université Rice pourrait conduire à des batteries au lithium métal plus puissantes. Crédit :Tour Group/Rice University
Les scientifiques de l'Université Rice ont franchi la prochaine étape vers le déploiement de puissants, batteries rechargeables au lithium métal en les rendant plus sûres et plus simples à fabriquer.
Le laboratoire Rice du chimiste James Tour a fabriqué des cellules de test avec une couche de phosphore rouge sur le séparateur qui maintient les électrodes anode et cathode séparées. Le phosphore agit comme un espion pour les systèmes de gestion utilisés pour charger et surveiller les batteries en détectant la formation de dendrites, protubérances de lithium qui peuvent les faire échouer.
Les anodes au lithium métal se chargent beaucoup plus rapidement et contiennent environ 10 fois plus d'énergie en volume que les anodes lithium-ion courantes utilisées dans à peu près tous les appareils électroniques sur le marché, y compris les téléphones portables et les voitures électriques. Les anodes sont l'une des deux électrodes nécessaires au fonctionnement de la batterie.
Mais la charge des anodes infusées de lithium forme des dendrites qui, s'ils atteignent la cathode, provoquer un court-circuit et éventuellement un incendie ou une explosion. Lorsqu'une dendrite atteint un séparateur recouvert de phosphore rouge, la tension de charge de la batterie change. Cela indique au système de gestion de la batterie d'arrêter la charge.
Contrairement aux autres détecteurs de dendrites proposés, la stratégie Rice ne nécessite pas de troisième électrode.
« Fabriquer des batteries avec une troisième électrode est très difficile, " a déclaré Tour. " Nous proposons une couche statique qui donne un pic de tension pendant que la batterie est en charge. Ce pic est un signal pour l'arrêter."
La recherche apparaît dans Matériaux avancés .
Les images d'une pile au lithium métal à demi-cellule montrent des dendrites s'approchant d'un séparateur de phosphore rouge. Le séparateur envoie un signal à l'électronique de la batterie pour qu'il s'arrête lorsque les dendrites menacent de créer un court-circuit. La découverte par des scientifiques de l'Université Rice pourrait contribuer à rendre les batteries au lithium plus sûres. Crédit :Tour Group/Rice University
La couche de phosphore rouge n'a eu aucun effet significatif sur les performances normales dans les expériences sur les batteries de test par le laboratoire Tour.
Les chercheurs ont construit une cellule de test transparente avec un électrolyte (le matériau liquide ou gélatineux entre les électrodes et autour du séparateur qui permet à la batterie de générer un courant) connu pour accélérer le vieillissement de la cathode et favoriser la croissance des dendrites. Cela leur a permis de surveiller la tension pendant qu'ils regardaient les dendrites se développer.
Avec un séparateur ordinaire, ils ont vu les dendrites entrer en contact et pénétrer dans le séparateur sans changement de tension, une situation qui entraînerait la défaillance d'une batterie normale. Mais avec la couche de phosphore rouge, ils ont observé une forte chute de tension lorsque les dendrites ont contacté le séparateur.
"Dès qu'une dendrite en croissance touche le phosphore rouge, il donne un signal dans la tension de charge, " a déclaré Tour. " Lorsque le système de gestion de la batterie détecte cela, il peut dire, 'Arrêtez de charger, ne pas utiliser.'"
L'année dernière, le laboratoire a introduit des films de nanotubes de carbone qui semblent arrêter complètement la croissance des dendrites des anodes de lithium métal.
« En combinant les deux avancées récentes, la croissance des dendrites de lithium peut être atténuée, et il existe une police d'assurance interne selon laquelle la batterie s'arrêtera dans le cas peu probable où même une seule dendrite commencerait à se développer vers la cathode, ", a déclaré la tournée.
"Littéralement, lorsque vous fabriquez une nouvelle batterie, vous en faites plus d'un milliard, " dit-il. " Est-ce que quelques-uns d'entre eux pourraient échouer ? Il suffit de quelques feux pour que les gens deviennent vraiment nerveux. Notre travail offre une garantie supplémentaire pour la sécurité de la batterie. Nous proposons une autre couche de protection qui devrait être simple à mettre en œuvre."
