Des chercheurs du Mellon College of Science et du College of Engineering de l'Université Carnegie Mellon ont développé une anode semi-liquide à base de lithium métal qui représente un nouveau paradigme dans la conception des batteries. Les batteries au lithium fabriquées à l'aide de ce nouveau type d'électrode pourraient avoir une capacité plus élevée et être beaucoup plus sûres que les batteries au lithium métal typiques qui utilisent une feuille de lithium comme anode.

L'équipe de recherche interdisciplinaire a publié ses conclusions dans le numéro actuel de Joule .

Les batteries au lithium sont l'un des types de batteries rechargeables les plus couramment utilisés dans l'électronique moderne en raison de leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie. Traditionnellement, ces batteries sont constituées d'électrolytes liquides combustibles et de deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparés par une membrane. Après qu'une batterie a été chargée et déchargée à plusieurs reprises, des brins de lithium appelés dendrites peuvent se développer à la surface de l'électrode. Les dendrites peuvent traverser la membrane qui sépare les deux électrodes. Cela permet le contact entre l'anode et la cathode, ce qui peut provoquer un court-circuit de la batterie et, au pire des cas, prendre feu.

« L'incorporation d'une anode métallique au lithium dans des batteries lithium-ion a le potentiel théorique de créer une batterie avec une capacité beaucoup plus grande qu'une batterie avec une anode en graphite, " a déclaré Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University Professeur de sciences naturelles au département de chimie de Carnegie Mellon. "Mais, la chose la plus importante que nous devons faire est de nous assurer que la batterie que nous créons est sûre."

Une solution proposée aux électrolytes liquides volatils utilisés dans les batteries actuelles est de les remplacer par des électrolytes céramiques solides. Ces électrolytes sont hautement conducteurs, incombustible et suffisamment solide pour résister aux dendrites. Cependant, les chercheurs ont découvert que le contact entre l'électrolyte céramique et une anode solide en lithium est insuffisant pour stocker et fournir la quantité d'énergie nécessaire à la plupart des appareils électroniques.

Sipei Li, doctorant au département de chimie de Carnegie Mellon, et Han Wang, doctorant au département de science et génie des matériaux de Carnegie Mellon, ont pu surmonter cette lacune en créant une nouvelle classe de matériau qui peut être utilisé comme anode métallique semi-liquide.

En collaboration avec Matyjaszewski du Mellon College of Science, un leader en chimie des polymères et en science des matériaux, et Jay Whitacre, Trustee Professor in Energy au College of Engineering et directeur du Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation à Carnegie Mellon, qui est réputé pour son travail dans le développement de nouvelles technologies pour le stockage et la production d'énergie, Li et Wang ont créé une matrice composite polymère/carbone à double conducteur qui contient des microparticules de lithium uniformément réparties. La matrice reste fluide à température ambiante, ce qui lui permet de créer un niveau de contact suffisant avec l'électrolyte solide. En combinant l'anode métallique semi-liquide avec un électrolyte céramique solide à base de grenat, ils ont pu faire fonctionner la cellule à une densité de courant 10 fois plus élevée que les cellules avec un électrolyte solide et une anode traditionnelle en feuille de lithium. Cette cellule avait également un cycle de vie beaucoup plus long que les cellules traditionnelles.

"Cette nouvelle voie de traitement conduit à une anode de batterie à base de lithium métal qui est fluide et qui présente une sécurité et des performances très intéressantes par rapport au lithium métal ordinaire. La mise en œuvre d'un nouveau matériau comme celui-ci pourrait entraîner un changement radical dans les batteries rechargeables à base de lithium, et nous travaillons dur pour voir comment cela fonctionne dans une gamme d'architectures de batterie, " dit Whitacre.

Les chercheurs pensent que leur méthode pourrait avoir des impacts de grande envergure. Par exemple, il pourrait être utilisé pour créer des batteries haute capacité pour les véhicules électriques et des batteries spécialisées pour une utilisation dans des appareils portables nécessitant des batteries flexibles. Ils pensent également que leurs méthodes pourraient être étendues au-delà du lithium à d'autres systèmes de batteries rechargeables, y compris les batteries au sodium métal et les batteries au potassium métal et pourraient être utilisées dans le stockage d'énergie à l'échelle du réseau.