Batteries rechargeables au lithium métal à densité énergétique accrue, performance, et la sécurité peut être possible avec un nouveau interphase à électrolyte solide (SEI), selon les chercheurs de Penn State.

À mesure que la demande de batteries au lithium métal à plus haute densité énergétique augmente - pour les véhicules électriques, smartphone, et les drones - la stabilité du SEI a été un problème critique qui a stoppé leur progression car une couche de sel à la surface de l'électrode au lithium de la batterie l'isole et conduit les ions lithium.

"Cette couche est très importante et est naturellement formée par la réaction entre le lithium et l'électrolyte dans la batterie, " a déclaré Donghai Wang, professeur de génie mécanique et chimique. "Mais il ne se comporte pas très bien, ce qui cause beaucoup de problèmes."

L'un des composants les moins compris des batteries au lithium métal, la dégradation du SEI contribue au développement des dendrites, qui sont des formations en forme d'aiguille qui se développent à partir de l'électrode au lithium de la batterie et affectent négativement les performances et la sécurité. Les chercheurs ont publié leur approche de ce problème aujourd'hui (11 mars) dans Matériaux naturels .

"C'est pourquoi les batteries au lithium métal ne durent pas plus longtemps - l'interphase augmente et ce n'est pas stable, " Wang a dit. " Dans ce projet, nous avons utilisé un composite polymère pour créer un bien meilleur SEI."

Dirigé par le doctorant en chimie Yue Gao, le SEI amélioré est un composite polymère réactif constitué de sel de lithium polymère, nanoparticules de fluorure de lithium, et des feuilles d'oxyde de graphène. La nouvelle construction de ce composant de batterie a de fines couches de ces matériaux, c'est là que Thomas E. Mallouk, Professeur de chimie à l'Université Evan Pugh, a prêté son expertise.

"Il y a beaucoup de contrôle au niveau moléculaire qui est nécessaire pour obtenir une interface lithium stable, " a déclaré Mallouk. " Le polymère conçu par Yue et Donghai réagit pour créer une liaison semblable à une griffe à la surface métallique du lithium. Il donne à la surface de lithium ce qu'elle veut de manière passive afin qu'elle ne réagisse pas avec les molécules de l'électrolyte. Les nanofeuillets du composite agissent comme une barrière mécanique pour empêcher la formation de dendrites à partir du lithium métallique. »

Utilisant à la fois la chimie et la conception technique, la collaboration entre les champs a permis à la technologie de contrôler la surface du lithium à l'échelle atomique.

"Lorsque nous concevons des batteries, on ne pense pas forcément comme des chimistes, jusqu'au niveau moléculaire, mais c'est ce que nous devions faire ici, " dit Mallouk.

Le polymère réactif diminue également le poids et le coût de fabrication, améliorer encore l'avenir des batteries au lithium métal.

"Avec un SEI plus stable, il est possible de doubler la densité énergétique des batteries actuelles, tout en les faisant durer plus longtemps et être plus sûrs, " a dit Wang.